付金勇，郭愛文

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院自動(dòng)化系，湖北武漢430072）

隨著工業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模的增大，測量參數(shù)趨于多樣化，迫切需要適合此狀況的采集與傳輸系統(tǒng)來完成參數(shù)的收集與傳送。然而傳統(tǒng)的有線傳輸技術(shù)存在安裝復(fù)雜，布線成本高，限制了工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展，雖然在有些工業(yè)情況下，單純用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞可滿足一定的工業(yè)要求，但是花費(fèi)太高，并且不能排除信號(hào)采集現(xiàn)場沒有運(yùn)營商信號(hào)覆蓋的可能性。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集迫切需要一種簡單的、低成本、高效率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。筆者采用新興起的ZigBee短程無線傳輸技術(shù)與GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)結(jié)合來設(shè)計(jì)滿足這一需求的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic structure of the system

在傳感器終端，采用ZigBee無線傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)⒍鄻踊臏y量變量進(jìn)行收集，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS模塊發(fā)送，經(jīng)過GPRS協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成與Internet的連接，監(jiān)控中心可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)的收集，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與傳輸過程。

1.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

1.2.1 Z igBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線組網(wǎng)技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸距離依賴于輸出功率和信道環(huán)境，一般在百米左右；通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30 ms，休眠激活的時(shí)延是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15 ms，因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用；尋址方式為64 bit IEEE地址，8 bit網(wǎng)絡(luò)地址，一臺(tái)主ZigBee設(shè)備可以連接多達(dá)254臺(tái)其他的從ZigBee設(shè)備，而一個(gè)區(qū)域可以建立更多的ZigBee網(wǎng)絡(luò)；ZigBee設(shè)備可工作在2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（歐洲通用）和915 MHz（美國通用）3個(gè)頻段之上，理論上可分別達(dá)到最高250、20和40 kb/s的傳輸速率；ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，采用休眠模式可以使功耗很低，從而達(dá)到省電延長電源使用壽命[1]。

1.2.2 Z igBee無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合傳感器技術(shù)、ZigBee無線通訊技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等，通過一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)傳感器的相互協(xié)作，全方位的采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的信息，而網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞方式以及效率取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[2]。為了充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的靈活性與自愈性，增大網(wǎng)絡(luò)的容量，在此選擇多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the ZigBee wireless network

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)完成的主要過程是數(shù)據(jù)的采集與上傳。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)大范圍、多層面、立體的數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)的多樣性與準(zhǔn)確性。路由節(jié)點(diǎn)最主要的功能便是起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，接收基本的傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)傳的要求，由于路由節(jié)點(diǎn)的加入，可以使網(wǎng)絡(luò)具有自組織性以及一定的容錯(cuò)性，使無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍增大，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的測量范圍，這滿足工業(yè)生產(chǎn)時(shí)收集信號(hào)的分散特性。協(xié)調(diào)器是一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，它向下組織包含路由器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)組織與數(shù)據(jù)接收，向上連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。

1.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)，是由現(xiàn)行的GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種承載業(yè)務(wù)。采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、調(diào)頻規(guī)則、突發(fā)結(jié)構(gòu)、TDMA幀結(jié)構(gòu)。GPRS采用分組交換技術(shù)，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送接收數(shù)據(jù)，區(qū)別于電路交換的GSM，特別適用于頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)然亦可傳輸大量數(shù)據(jù)，正適合工業(yè)測量領(lǐng)域頻發(fā)、少量、實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS具有“極速傳送"、“永遠(yuǎn)在線”、“價(jià)格實(shí)惠”等特點(diǎn)。其采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高了現(xiàn)有GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸速率，最高可達(dá)170 kb/s左右，當(dāng)設(shè)備得到無線通道，GPRS便可以建立連接，使用戶一直處于“在線”狀態(tài)[4-5]。

2 硬件設(shè)計(jì)部分

2.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of wireless sensor node

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線傳感器節(jié)點(diǎn)要完成來自傳感器的信息的收集、無線網(wǎng)絡(luò)的加入、以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。電路應(yīng)該有電源模塊、傳感器模塊、MCU、無線模塊等部分組成[6-8]。在此采用德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的CC2430，CC2430是一種真正的片上系統(tǒng)芯片（SOC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，完全兼容ZigBee協(xié)議，該方案還滿足了工業(yè)過程對(duì)低成本，低功耗的要求。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)高性能和低功耗的8051微控制器核，擁有8 kB的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊。CC2430有3種不同的版本，具體表現(xiàn)為閃存空間的不同，分別有32、64、和128 kB。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，完全滿足了要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合。

2.2 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)要完成對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收，傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)管理，監(jiān)控中心數(shù)據(jù)的傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of coordinator node

無線模塊采用CC2430，GPRS模塊采用MC35i。MC35i是西門子生產(chǎn)的GSM/GPRS雙模模塊，它采用緊湊型設(shè)計(jì)，完全兼容于在它之前的西門子MC35系列產(chǎn)品，支持EGSM900/GSM1800雙頻，支持GRPS Class 8/Class B，可以為用戶提供了便捷、嵌入式的GPRS無線模塊的連接。MC35i工作在GPRS狀態(tài)時(shí)，下行最大速率85.6 kb/s。接口：40 pin，包括電源、3 V SIM卡、RS232接口、語音、控制等管腳/50 Ω天線接口。MC35i的GPRS模塊可實(shí)現(xiàn)永久在線功能，具有高速數(shù)據(jù)傳輸速率、體積小巧、功耗低等特點(diǎn)，能提供數(shù)據(jù)、語音、短信、傳真功能，在本系統(tǒng)中完全滿足數(shù)據(jù)的傳輸速率要求。

3 軟件設(shè)計(jì)部分

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的作用是向上通過GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心，向下管理ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，從功能上分類屬于FFD（fullfunction device）節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊部分的通訊時(shí)，協(xié)調(diào)器發(fā)送的報(bào)文格式遵循指定的格式，便于監(jiān)控中心解析報(bào)文內(nèi)容，便于數(shù)據(jù)的通用。

GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設(shè)計(jì)采用線程編程，一要完成GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送，二要監(jiān)視來自串口的數(shù)據(jù)。軟件采用C語言編寫，程序流程如圖5所示。

圖5 GPRS模塊發(fā)送接收流程圖Fig.5 Flow chart of sending and receiving designed for GPRS module

協(xié)調(diào)器管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，需完成組建網(wǎng)絡(luò)，掃描來自路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)，存儲(chǔ)路由節(jié)點(diǎn)編碼號(hào)。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件部分要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理與發(fā)送等功能。路由節(jié)點(diǎn)不僅要有傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，而且還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，是FFD（full-function device）節(jié)點(diǎn)。為節(jié)省電源，傳感器節(jié)點(diǎn)采用睡眠喚醒機(jī)制，滿足電池供電要求。由于電源損耗主要是由于無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，而在沒有采集的時(shí)間段內(nèi)，無線模塊的工作便是能量的浪費(fèi)，因此程序設(shè)計(jì)為在沒有接收到時(shí)鐘信號(hào)的喚醒命令之前，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊處于睡眠狀態(tài)，延長電池的使用壽命，程序流程如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程和路由節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.6 Flow chart of sensor node and routing node

4 結(jié)論

筆者提出的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)建立在（SOC）CC2430芯片上，通過建立ZigBee無線傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)，將測量范圍的數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集，路由節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯集數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集的一次作業(yè)，再通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸過程作業(yè)，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程簡捷，具有可操作性，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)對(duì)CAN布線、布線代價(jià)高昂以及無法使用GPRS傳輸?shù)裙r更適合苛刻的工業(yè)要求，筆者的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有一定的自組織性，網(wǎng)絡(luò)探測范圍廣，可實(shí)現(xiàn)廣泛區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，采用不同的傳感器可以采集多樣的現(xiàn)場信號(hào)，滿足不同的系統(tǒng)要求。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，本系統(tǒng)具有可行性。

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