基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

陳光

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院,天津 300380)

0 引言

ZigBee技術(shù)作為時(shí)下新興的近距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),具有“距離短、功耗低、成本低、自組網(wǎng)”等優(yōu)點(diǎn)[1],在工農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著普遍的應(yīng)用。

ZigBee是一種低成本、低功耗、不用布線、收集數(shù)據(jù)也比較方便、適用范圍較廣的網(wǎng)絡(luò),可根據(jù)所要監(jiān)控參數(shù)的需要設(shè)計(jì)相應(yīng)成本、功耗、可靠、安全性的設(shè)備[2]。無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以在不同的空間、不同的領(lǐng)域監(jiān)測室內(nèi)外某一片區(qū)的參數(shù)。這種監(jiān)控系統(tǒng)有效的解決了傳統(tǒng)有線傳輸方式存在的弊端,無線模塊省去了不少的物力財(cái)力,同時(shí)也省去了許多麻煩。

1 ZigBee協(xié)議簡介

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)依靠ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn),和TCP/IP協(xié)議棧相似。Z-Stack協(xié)議棧分為許多層,能夠清楚明確各層的來龍去脈,便于設(shè)計(jì)調(diào)試以及運(yùn)用。抽象層(OSAL)是Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行的關(guān)鍵層,沒有OSAL層系統(tǒng)就不能運(yùn)行,運(yùn)行前軟硬件需要復(fù)位,OSAL通過時(shí)間函數(shù)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理機(jī)制,其任務(wù)處理機(jī)制如圖1所示[3]。

圖1 任務(wù)處理機(jī)制Fig.1 Task processing mechanism

Z-Stack是TI公司設(shè)計(jì)的ZigBee協(xié)議棧,ZigBee協(xié)議棧每一層都有一個(gè)事件處理函數(shù),用來處理與這一層操作相關(guān)的各種事件,這樣整個(gè)協(xié)議棧便會按照時(shí)間順序有條不紊的運(yùn)行。

2 ZigBee檢測平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

CC2530芯片是Chipcon公司推出的基于IEEE820.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng),其內(nèi)存版本有4種:分別是CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256,分別對應(yīng)的內(nèi)存是32KB、64KB、125KB、256KB[4]。RF結(jié)合了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU,是一種CC2530內(nèi)置的領(lǐng)先轉(zhuǎn)發(fā)器,有可編程的8KB閃存、兩個(gè)復(fù)用接口、UART接口和SPI接口、8個(gè)通道的ADC、21個(gè)GPIO接口功能,CC2530具有不同狀態(tài)的工作電源,適用于負(fù)載比較均衡的工作環(huán)境。

CC2530芯片支持2.4GHz IEEE 820.15.4 RF收發(fā)器,外接部件需要較少,接收比較靈活,能夠阻止外界信息入侵,不易被影響,無線電頻率規(guī)范所確定,一個(gè)工作環(huán)境一個(gè)晶振[5]。

低功率是CC2530的特性,主動模式接收24mA,主動模式發(fā)送29mA,供電模式1:0.2mA,供電模式2:1uA,供電模式3:0.4uA,寬電源電壓2V～3.6V,CC2530構(gòu)架如圖2所示。

CC2530核心開發(fā)板如圖3所示。

根據(jù)開發(fā)板PCB設(shè)計(jì)文件,制作了PCB電路板,如圖4所示。

基于ZigBee協(xié)議的無線監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器,接收終端接收到的溫濕度數(shù)據(jù),通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)和串口連接傳輸?shù)絇C機(jī)[6]。協(xié)調(diào)器的底板PCB設(shè)計(jì)如圖5、圖6所示,CC2530核心板與協(xié)調(diào)器底板的安裝實(shí)物如圖7所示。

圖2 CC2530組成構(gòu)架Fig.2 CC2530 composition framework

圖3 CC2530開發(fā)板Fig.3 CC2530 development board

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

選擇CoordinatorEB-Pro,把代碼下載到發(fā)送端開發(fā)板A;作為協(xié)調(diào)器,通過USB接口的數(shù)據(jù)線和電腦連接。選擇EndDeviceEB-Pro,把代碼下載到接收端開發(fā)板B;終端設(shè)備把數(shù)據(jù)以無線的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器,也通過帶USB接口的數(shù)據(jù)線跟PC機(jī)連接,如圖8所示。

圖4 PCB板主要器件焊接Fig.4 PCB board main device welding

圖5 協(xié)調(diào)器底板Top Layer PCB電路Fig.5 coordinator backplane Top Layer PCB circuit

圖6 協(xié)調(diào)器底板焊接器件Fig.6 coordinator backplane welding device

把兩塊開發(fā)板連接正確通電,在PC機(jī)上打開串口調(diào)試助手,波特率設(shè)為9600,打開串口請選擇自己的端口號。接收端連網(wǎng)成功后會向協(xié)調(diào)器發(fā)信息,發(fā)送成功后就會在PC機(jī)端顯示,運(yùn)行程序如圖9所示。

通過協(xié)調(diào)器把收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮战K端,由串口實(shí)現(xiàn)調(diào)試,最終在PC機(jī)上顯示實(shí)時(shí)溫濕度。

圖7 CC2530核心板與協(xié)調(diào)器底板安裝Fig.7 CC2530 core board and coordinator backplane install

圖8 外殼與實(shí)物組裝通電Fig.8 shell and object assemble and electrify

4 結(jié)論

無線網(wǎng)絡(luò)融合了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù),它是一項(xiàng)高科技技術(shù),受到人們的廣泛關(guān)注,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還會發(fā)展到更高的科技領(lǐng)域。

本文是對基于ZigBee協(xié)議的無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在ZigBee CC2530和DHT11的基礎(chǔ)上,通過軟硬件的連接調(diào)試、代碼的寫入實(shí)現(xiàn)溫濕度的監(jiān)測。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常廣闊,ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),推進(jìn)了無線網(wǎng)絡(luò)這項(xiàng)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,為后人在此領(lǐng)域的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖9 串口監(jiān)視Fig.9 serial monitor

本文主要適用于監(jiān)測某一領(lǐng)域的溫濕度,比如工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)控制、科學(xué)研究氣象監(jiān)測、軍事醫(yī)學(xué)等。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是低功耗、低成本、短距離、不用布線、移動方便、可靠、抗干擾的無線網(wǎng)絡(luò),是非常實(shí)用的一項(xiàng)無線監(jiān)測技術(shù)。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能夠滿足特殊領(lǐng)域的需求和覆蓋有線監(jiān)控難以涉及的范圍,所以不會被限制在有限的區(qū)域,能實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)控。