信陽農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校計算機(jī)科學(xué)系 張克旺 朱猛

Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

信陽農(nóng)業(yè)高等專科學(xué)校計算機(jī)科學(xué)系 張克旺 朱猛

ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，適用于鋼鐵冶煉溫度控制、蔬菜大棚溫度監(jiān)控、土壤酸堿度監(jiān)控和煤氣抄表等多個領(lǐng)域。該網(wǎng)絡(luò)是中短距離、低速率的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，射頻傳輸成本低，各節(jié)點(diǎn)只需很少的能量，即可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到2點(diǎn)和多點(diǎn)間的對等通信，具有快速組網(wǎng)自動配置、自動恢復(fù)和高級電源管理功能，網(wǎng)絡(luò)中任意2個傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。并且，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠滿足對各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制，使現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無線化，可應(yīng)用于溫度濕度監(jiān)控、壓力過程控制數(shù)據(jù)采集、流量過程控制數(shù)據(jù)采集、工業(yè)監(jiān)控、樓宇自動化、數(shù)據(jù)中心、制冷監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、社區(qū)安防、環(huán)境數(shù)據(jù)檢測、倉庫貨物監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。

一、設(shè)計模型

設(shè)計1個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對4路模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，4路模擬量信號分別為1～5V電壓信號、4～20mA電流信號、0～60 mV電壓信號和0～200Ω電阻信號，數(shù)據(jù)采集由CC2430芯片完成，采集數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送接收端的CC2430，將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)（PC機(jī)）上顯示。

二、硬件設(shè)計

1.硬件構(gòu)成。

（1）設(shè)計出模擬量輸入通道（含信號調(diào)理電路和濾波電路）。

（2）設(shè)計出CC2430的無線收發(fā)模塊（包括發(fā)射部分和接收部分）。

（3）設(shè)計出CC2430與PC機(jī)的串口通信電路。畫出上述電路原理圖，并在實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)（已調(diào)試通過）。

2.硬件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)采用4個按鍵來啟動A/D轉(zhuǎn)換。其中，CC2430的P2.0口接按鍵1，P2.1口接按鍵2，P2.2口接按鍵3，P2.3口接按鍵4。

（1）當(dāng)按鍵1按下后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，對應(yīng)CC2430的IN0口將采集0～5V的電壓信號并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過無線方式傳送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送至PC機(jī)，通過VC編寫的上位機(jī)程序進(jìn)行顯示。

（2）當(dāng)按鍵2按下后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，對應(yīng)CC2430的IN1口將采集的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在軟件處理上采用電壓和電阻方式來得到相應(yīng)的電流值，然后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過無線方式傳送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送至PC機(jī)，通過VC編寫的上位機(jī)程序進(jìn)行顯示。

（3）當(dāng)按鍵3按下后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，CC2430的IN1口將采集的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在軟件處理上采用將采集得到的電壓放大相應(yīng)的倍數(shù)的方式來得到相應(yīng)的電壓值，然后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過無線方式送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送至PC機(jī)，通過VC編寫的上位機(jī)程序進(jìn)行顯示。

（4）當(dāng)按鍵4按下后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，對應(yīng)CC2430的IN3口將采集的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在軟件處理上采用電壓和電流方式來得到相應(yīng)的電阻值，然后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過無線方式傳送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送PC機(jī)，使用VC編寫的上位機(jī)程序進(jìn)行顯示。

在無線部分本設(shè)計中，筆者選用了CC2430無線收發(fā)模塊。CC2430使用低功耗的8051微控制器，集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線收發(fā)機(jī)。它具有電池監(jiān)測和溫度監(jiān)測功能，集成14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。擴(kuò)展引腳如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集的部分采用P0.6口作為ADC輸入，使用內(nèi)部集成的14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成。P0.2口和P0.3口作為串口與電腦相連，數(shù)據(jù)采集結(jié)果通過串口調(diào)試助手來顯示，采集外部參考電壓0～3.3V實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計

三、軟件設(shè)計

1.軟件實(shí)現(xiàn)。

（1）編寫4個通道的數(shù)據(jù)采集程序。

（2）數(shù)據(jù)采集程序加載到Zigbee協(xié)議棧的應(yīng)用程序部分。

（3）Zigbee協(xié)議棧接收部分程序設(shè)計。

（4）編寫VC上位機(jī)串口顯示程序。

ZigBee協(xié)議棧由1組子層構(gòu)成，每個子層為上層提供1組特定的服務(wù)。1個數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，1個管理實(shí)體提供全部的其他服務(wù)。每個服務(wù)實(shí)體通過1個服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和由制造商制定的應(yīng)用對象。結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

2.結(jié)果實(shí)現(xiàn)。當(dāng)打開第一通道時，采集到的電壓信號經(jīng)過CC2430模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過無線方式發(fā)送到CC2430的接收模塊上，然后通過串口傳送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

本文，筆者介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，并詳細(xì)說明了無線收發(fā)模塊CC2430的功能?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計原則，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案和具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計，并從硬件和軟件兩個方面考慮了低功耗的設(shè)計要求，為無線網(wǎng)絡(luò)與智能傳感器的結(jié)合提供了一種創(chuàng)新的設(shè)計方法。解決了數(shù)據(jù)的無線采集問題。