基于ZigBee遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的開發(fā)與設計

張銳王笑宇

（1.駐馬店職業(yè)技術學院信息工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店職業(yè)技術學院圖書館，河南 駐馬店 463000）

基于ZigBee遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的開發(fā)與設計

張銳1王笑宇2

（1.駐馬店職業(yè)技術學院信息工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店職業(yè)技術學院圖書館，河南 駐馬店 463000）

基于ZigBee遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)具有功耗低、建網(wǎng)簡單、成本低廉等特點，成為遠程數(shù)據(jù)采集領域的研究熱點。本文將圍繞某工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，從ZigBee技術特點、架構協(xié)議分析入手，通過對終端、匯聚節(jié)點、監(jiān)控中心的設計，并從系統(tǒng)測試中提出一種應用方案。該系統(tǒng)具有環(huán)境適應性強、覆蓋范圍廣、傳輸速率高、網(wǎng)絡穩(wěn)定性強等特點。

ZigBee技術；遠程采集傳輸；CC2430；無線傳感網(wǎng)絡

隨著無線傳感器網(wǎng)絡理論和技術的不斷發(fā)展，以無線通信和數(shù)據(jù)采集、傳輸為特色的無線傳感器網(wǎng)絡，因其優(yōu)越的性能和低能耗成為工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測的重要技術，ZigBee技術以低速率、短距離、低成本、自組網(wǎng)、多向傳輸?shù)忍攸c，在無線傳感器網(wǎng)絡中脫穎而出。［1］

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術特點及協(xié)議分析

1.1 ZigBee網(wǎng)絡技術

ZigBee無線網(wǎng)絡技術采用IEEE802.15.4標準協(xié)議，在系統(tǒng)能耗上具有延時短、結構存儲量大，以AES128對稱碼進行多重校驗，更具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和安全性，尤其是良好的網(wǎng)絡拓撲結構及自愈能力，在不同現(xiàn)場更具有廣闊的覆蓋范圍和適應性。依據(jù)OSI協(xié)議模型要求，ZigBee無線網(wǎng)絡自下而上分別為物理層、媒體訪問控制子層、網(wǎng)絡層、應用層四部分；網(wǎng)絡層主要負責設備的初始化、發(fā)現(xiàn)路由及協(xié)同通信，應用層主要對各設備及網(wǎng)絡層參數(shù)進行配置。

1.2 ZigBee協(xié)議分析

ZigBee無線網(wǎng)絡在協(xié)議架構上，根據(jù)不同層的功能分屬不同協(xié)議。在底層物理層、介質訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層，遵循IEEE802.15.4協(xié)議。物理層定義2.4GHz和868/915MHz兩個頻段，并通過RF固件為介質訪問子層提供通信服務，其數(shù)據(jù)包格式為同步幀頭、物理幀頭、物理層凈荷；［2］數(shù)據(jù)鏈路層MAC主要對鏈路層節(jié)點之間提供數(shù)據(jù)傳輸；ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE801.15.4標準上，利用SAP接口滿足各層間數(shù)據(jù)傳輸和通信。

2 基于ZigBee遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)框架結構分析

以某礦井遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計為例。

2.1 系統(tǒng)框架分析

根據(jù)礦井監(jiān)測實際，設計一個多層網(wǎng)絡結構。最底層為傳感器網(wǎng)絡；中間層對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行匯集至匯聚節(jié)點，利用網(wǎng)絡路由傳輸至上層；上層為遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，負責對遠程數(shù)據(jù)進行協(xié)調處理，并通過GPRS網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸至Internet網(wǎng)，完成整個信息采集傳輸要求。

2.2 系統(tǒng)軟硬件平臺設計與方案優(yōu)化

ZigBee芯片采用Chipcon公司的CC2430，其功耗低、開發(fā)和調試環(huán)境完善，且適用性強。CC2430提供128k的閃存空間，配以8051MCU，為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集提供可靠、穩(wěn)定的技術支撐；對于GPRS模塊采用SIEMENS的MC55芯片，內置GSM模塊和TCP/IP協(xié)議，能夠實現(xiàn)多種網(wǎng)絡傳輸服務。［3］在軟件平臺上，選用IAR Embedded Workbench（EW）作為開發(fā)平臺，內嵌C/C++編譯器、匯編器、C-SPY調試器等，更具競爭力。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對各項參數(shù)進行采集的過程，其結構和功能相對簡單，其工作機制為接收采集指令，從睡眠模式啟動，完成數(shù)據(jù)采集，利用主控芯片對數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調器。

3.1 采集系統(tǒng)硬件設計

采集系統(tǒng)硬件結構設計根據(jù)不同現(xiàn)場數(shù)據(jù)參數(shù)，分為模擬量和脈沖量兩種方式。對于模擬量數(shù)據(jù)，如壓力、溫度等參數(shù)，利用MCU模塊來接收相應信號，并通過A/D轉換來進行處理。當A/D轉換電路活動4-20mA的電流時，經(jīng)過電阻得到一個壓降值，并送至放大器，再經(jīng)過分壓來判定壓降值變化。當輸入電壓＜4mA時，電壓差為0，從而實現(xiàn)標準電流向電壓信號的轉換。

從現(xiàn)場采集的脈沖信號，經(jīng)過光耦合器，轉換為可以識別的方波信號，再通過放大濾波電路及外圍電路，實現(xiàn)信號轉換和處理，并傳送給CC2430主控系統(tǒng)的I/O接口。另外，在采集系統(tǒng)信號放大及濾波模塊設計上，選用集成儀表放大器AD620，其體積小，采用SOIC封裝，具有較好的直流及交流特性，能夠滿足最大輸入失調電壓50V，最大輸入偏置電流2.0nA要求。

3.2 采集系統(tǒng)軟件設計

在采集終端的軟件設計上，利用傳感器終端程序、采集模塊軟件、射頻通信軟件來完成。當收到采集指令則喚醒主控單元，利用定時器中斷進入休眠狀態(tài)等。

4 數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)節(jié)點的設計

數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)主要包括路由和網(wǎng)絡協(xié)調器，通過對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行匯聚，由路由節(jié)點與協(xié)調器進行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉換，最后與GPRS系統(tǒng)模塊完成數(shù)據(jù)交互。

4.1 匯聚系統(tǒng)的框架設計

匯聚系統(tǒng)長期處于工作狀態(tài)，結構相對復雜。其工作機制為：接收來自采集終端的數(shù)據(jù)，并傳遞給協(xié)調器，協(xié)調器對數(shù)據(jù)進行轉換，封裝后發(fā)送給路由節(jié)點，在ZigBee系統(tǒng)調度下完成對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的中轉功能。［4］由于網(wǎng)絡協(xié)調器和路由轉換功耗較大，需要外接電源。

4.2 匯聚系統(tǒng)硬件設計

在匯聚節(jié)點，硬件系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡協(xié)調器和路由電路設計，協(xié)調器主要包括電源系統(tǒng)、MCU控制芯片、Flash存儲器、USB接口、串口電路、LCD顯示及時鐘系統(tǒng)等。電源系統(tǒng)主要完成外接22V交流電壓的轉換，以滿足系統(tǒng)3.3V直流和5V串口電路供電需要；串口芯片采用MAX3221CAE，利用DIP-16封裝方式滿足TTL與RS232電平轉換；路由模塊電路設計與采集終端相似，增加存儲器模塊和LCD顯示系統(tǒng)。本研究中存儲器選用NAND閃存K9F2808U0C，工作電壓為2.7-3.6V，總存儲容量達132Mb，具有自動編程和擦寫功能。

4.3 監(jiān)控中心設計

監(jiān)控中心主要有兩個模塊，一是管理終端模塊，二是數(shù)據(jù)服務器。管理終端主要負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，并進行相應處理，數(shù)據(jù)服務器主要進行數(shù)據(jù)處理和存儲，便于查詢及對整個系統(tǒng)進行調控操作。

5 系統(tǒng)調試及總結

本系統(tǒng)在測試中采用四個采集終端、一個路由節(jié)點、一個協(xié)調器和ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。點對點測試結果表明，隨著測試距離及傳送字符數(shù)的增加，ZigBee網(wǎng)絡丟包率呈現(xiàn)上升趨勢，數(shù)據(jù)傳輸量越大，準確率也相繼下降。總的來看，通信距離在10—75 m之間具有較高的傳輸準確度。星狀網(wǎng)絡測試結果表明，采集終端與協(xié)調器之間的星狀距離不能超過700m，否則影響通信質量。在能耗測試中，采集終端采用電池供電，匯聚節(jié)點采用交流電源，整體能耗符合低功耗設計要求。

［1］ 茍爭旭，周淵平.基于GSM和ZigBee的遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］. 通信技術. 2011（08）：82-84.

［2］ 楊偉，孫志雄，韓建文.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中現(xiàn)場可編程門陣列技術的應用［J］. 數(shù)字技術與應用. 2013（04）：49-51.

［3］ 宋霄薇，呂藝.光電式速度傳感器的工作原理及常見故障處理［J］. 鄭州鐵路職業(yè)技術學院學報. 2012（03）：35-37.

［4］ 余松濤.嵌入式遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸技術的研究與實現(xiàn)［J］. 電子科技. 2013（05）：90-92.

TP273 文獻識別碼A

1003-5168（2015）11-006-02

張銳（1980—），女，本科，講師，研究方向：計算機網(wǎng)絡