基于zigbee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

1、<p>　　基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計</p><p>　　論文關鍵詞：數(shù)據(jù)采集　ZigBee　CC2430　C8051F020</p><p>　　論文摘要：以C8051F020和射頻芯片CC2430為核心設計了低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，文章介紹了ZigBee技術、并給出了基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成，最后通過使用CC2430芯片完成了采集節(jié)點、主控單

2、元的硬件與軟件設計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)場中應用最廣的技術之一,企業(yè)在生產(chǎn)時需要實時監(jiān)測電壓、溫度、壓力、流量的變化。現(xiàn)有的采集系統(tǒng)大多采用預先布線，通過有線方式進行數(shù)據(jù)采集,主要存在的問題有：擴展性較差、布線繁瑣、不方便對移動設備監(jiān)測，不能進行臨時數(shù)據(jù)采集。為此本文介紹了如何利用射頻芯片CC2430與C8051F020實現(xiàn)基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p

3、><p>　　1. ZigBee簡介</p><p>　　ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標準的無線協(xié)議，主要應用于低速率，低功耗設備的組網(wǎng)，支持250kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以實現(xiàn)一點對多點的快速組網(wǎng)。ZigBee技術的主要優(yōu)點有省電、可靠、低、時延短、網(wǎng)絡容量大、安全。 </p><p>　　完整的ZigBee協(xié)議棧由層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡層

4、、安全層和應用層組成。IEEE 802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議, 網(wǎng)絡層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定,應用層根據(jù)用戶自己需要,對其進行開發(fā)利用。無線通信技術上,采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式避免了無線電載波之間沖突。此外,為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,建立了完整的應答通信協(xié)議。</p><p>　　ZigBee設備為低功耗設備,其發(fā)射輸出功率為03.6dBm,通信距離為30～70m,

5、具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力,根據(jù)這些檢測結果,設備可以自動調(diào)整發(fā)射功率,在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下,最低限度地消耗設備能量。在組網(wǎng)性能上,ZigBee可以構造為星形網(wǎng)絡或者點對點對等網(wǎng)絡。在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡中,連接地址碼分為16bit短地址碼或者64bit長地址碼,具有較大的網(wǎng)絡容量[1,2，3]。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)設計</b></p>

6、<p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心控制單元采用先進的C8051F020嵌入式單片機作為核心部件,通過CC2430與采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信，并將數(shù)據(jù)采集結果在LCD液晶屏上顯示，也可利用RS-485通信接口與上位機通信。數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要是將捕捉的現(xiàn)場信號經(jīng)轉換器ADC采樣、量化、編碼后,變成數(shù)字信號傳給微處理器,并無線發(fā)送數(shù)據(jù)，主控單元的主要工作是接收數(shù)據(jù)信息、進行采集節(jié)點、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)結構如圖1所示。</p>

7、<p>　　采集節(jié)點 主控單元</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結構框圖</b></p><p>　　為實現(xiàn)ZIGBEE通信，選用CC2430為通信處理核心器件。CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee無線單片機系列芯片。CC2430除了包括RF收發(fā)器外，還集

8、成了加強型8051單片機、它具有2/64/128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，以及ADC、看門狗等。CC2430可工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓(2.0～3.6 V)供電，待機時電流消耗僅0.2μA，但靈敏度高達-91dBm、最大輸出為+0.6dBm、最大傳送速率為250 kbps。CC2430僅需添加少量的外圍元件就可以完成ZIGBEE通信功能的硬件實現(xiàn)。</p><p>　　C8051F020是C

9、ygnal公司推出的基于CIP—51內(nèi)核的SOC芯片，在硬件設計上它采用流水線結構，機器周期由標準的12個系統(tǒng)時鐘周期降到1個，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。具有64個I/O引腳,每個端口都可以配置成推挽或漏極開路輸出，可以滿足本系統(tǒng)IO口需要。該芯片除了具有標準8052的數(shù)字外設之外，片內(nèi)還集成了許多有用的模擬和數(shù)字外設及功能部件，如模擬多路開關、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、看門狗定時器等,支持

10、在系統(tǒng)編程和調(diào)試等，本系統(tǒng)主控單元由C8051F020與CC2430共同完成數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示，電路參見下圖。</p><p>　　圖2 CC2430電路原理圖</p><p><b>　　4.系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡支持3種類型拓撲結構：星形結構，網(wǎng)格狀結構和族狀結構，本系統(tǒng)使用星形網(wǎng)絡實現(xiàn)，網(wǎng)絡配置一個

11、協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點，在星形網(wǎng)絡中所有的終端設備都只與協(xié)調(diào)器通信，為實現(xiàn)這一功能，協(xié)調(diào)器必須知道每個采集節(jié)點的網(wǎng)絡地址，這就需要每個節(jié)點在加入網(wǎng)絡后把網(wǎng)絡地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到網(wǎng)絡地址后建立地址表存儲起來，以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時依據(jù)地址表來采集每個傳感器的數(shù)據(jù)。IEEE802.15.4MAC數(shù)據(jù)包最大長度為127字節(jié)，每個數(shù)據(jù)都由頭字節(jié)和16CRC值組成，在數(shù)據(jù)傳輸中使用應答數(shù)據(jù)傳傳輸機制，設置ACK標志位為1的幀會被接收器應答，

12、如果在一定期限內(nèi)未收到應答，則證明采集節(jié)點發(fā)生錯誤。主控單元CC2430軟件流程圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 CC2430軟件流程圖</p><p>　　當協(xié)調(diào)器收到信息時，根據(jù)數(shù)據(jù)的第1個標識字符來判斷是傳感器的網(wǎng)絡地址還是傳感器采集的數(shù)據(jù)。若是傳感器的網(wǎng)絡地址，則把該網(wǎng)絡地址存儲在地址表里；若是傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，則把該數(shù)據(jù)處理后上傳到C0851F020,待把整個監(jiān)測區(qū)域

13、的傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，根據(jù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)做融合，并把最終結果在LCD上顯示。當用戶通過上位機監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送通信請求時，單片機將有效數(shù)據(jù)通過通過串口發(fā)給上位機，用戶通過上位機可以完成數(shù)據(jù)的收集、圖表繪制、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析等工作。</p><p><b>　　5. 結束語</b></p><p>　　通過軟硬聯(lián)調(diào),可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收,并實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與顯示，通過串口可以將

14、數(shù)據(jù)上傳至上位機，網(wǎng)絡的組網(wǎng)及路由效果良好,在短距離內(nèi),星形網(wǎng)絡的連接通暢,各節(jié)點設備之間能實現(xiàn)通信.缺點是未能實現(xiàn)動態(tài)組網(wǎng)，整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須以主控器為中心，不利于動態(tài)使用。</p><p>　　本項目完成了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構設計和底層硬件的具體實現(xiàn),并達到了預期要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應速度等性能都滿足實際需求。該系統(tǒng)可同時對多個區(qū)域進行監(jiān)測，安裝維護簡單，可以根據(jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集模塊上進行相應傳感器的擴充

15、以完成特定數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　[1]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.</p><p>　　[2]蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.</p><p>　　[3] ZigBee Specification Document 053474r13 [Z].

16、ZigBee Standards Organization, 2006.</p><p>　　[4] CC2430 Datasheet [Z]. Texas Instruments Incorporated, 2007.</p><p>　　[5] 童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C編程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.</p><p>　　[6]

17、 DIGN Gang, SAHINOGLU Z, ORLIK P, et al. Tree-based data broadcast in IEEE 802·15·4 and ZigBee networks. IEEE Trans on Mobile Computing, 2006, 5(11): 1561-1574.</p><p>　　[7] 李小珉,趙志宏,郭志.ZigBee無線傳感器網(wǎng)