高佳雋，仇國富

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

0 引言

相比較其他的一些短距離無線傳輸技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、低速率、短延時、免執(zhí)照頻段等特點，能夠應(yīng)用于數(shù)據(jù)量傳輸較小的工業(yè)控制領(lǐng)域。在實際的工業(yè)現(xiàn)場，由于ZigBee使用的是2.4GHz的免費頻段，頻率高導(dǎo)致其穿過障礙物的能力較低，視距內(nèi)的傳輸距離太短，往往需要組建一定規(guī)模的無線局域網(wǎng)，如何組建無線網(wǎng)絡(luò)是必須解決的首要問題。

本文提出了一種自組織局域網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，最多的跳躍點數(shù)是3個，跳點太多會造成數(shù)據(jù)延遲性相應(yīng)的增加［1］。Chipcon As公司的CC2420，是首款符合2.4GHz頻率、IEEE802.15.4標準的ZigBee無線收發(fā)器，也是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件，性能穩(wěn)定且功耗極低［2］。主控制器使用TI公司的MSP430F149芯片和CC2420組成網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器以及各個節(jié)點，給出了系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由上位機、ZigBee節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器三部分組成如圖1。上位機是在Visual Basic6.0平臺基礎(chǔ)上開發(fā)的，該平臺擁有的圖形用戶界面(GUI)和快速應(yīng)用程序開發(fā)(RAD)系統(tǒng)，可以很容易使用ADO，DAO，RDO控件連接數(shù)據(jù)庫，對上位機接收的數(shù)據(jù)進行處理。ZigBee節(jié)點主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，簡單處理數(shù)據(jù)，而且部分節(jié)點還具有路由的功能，可增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和可靠性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)這種多節(jié)點有序的特點可以穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)，組成一個容錯性較好的采集系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用部分網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，不是所有的節(jié)點都可以互相通信，它的優(yōu)點是可以把網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍成幾倍地擴大。系統(tǒng)中使用的CC2420收發(fā)器，每兩個之間的無障礙傳輸距離為70～80m，因為多個節(jié)點可以作為路由器使用，所以網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)就令整個網(wǎng)絡(luò)無最大通信距離的限制。例如在圖1中，節(jié)點7可以通過以下路徑把數(shù)據(jù)傳送至PC上位機:7—2—協(xié)調(diào)器—PC，還有一條是7—2—1—協(xié)調(diào)器—PC，這是為了防止一條路徑不通而影響整個系統(tǒng)的正常工作，還可以有效的避開障礙物之類的因素［3］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee節(jié)點

ZigBee節(jié)點的功能是采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送至ZigBee協(xié)調(diào)器，最終上傳至PC上位機。ZigBee節(jié)點主要由傳感器模塊、MCU模塊、ZigBee收發(fā)模塊、存儲模塊以及供電模塊五部分組成，如圖2所示。

圖2 ZigBee節(jié)點框圖

傳感器模塊主要是采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以根據(jù)現(xiàn)場需要使用不同的傳感器采集數(shù)據(jù)；MCU模塊選擇MSP430F149單片機，該芯片是16位處理器，自身內(nèi)置12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，傳感器得到的模擬信號可以直接傳送給其進行AD轉(zhuǎn)換，不用專門設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路。另外有四種模式LPM1、LPM2、LPM3、LPM4寫程序時可以調(diào)用不同的模式達到理想的低功耗效果［4］。兩個串口可用，一個作為RS232接口，另一個SPI工作方式與無線模塊數(shù)據(jù)通信。JTAG提供下載程序的接口，指示燈為芯片上電指示。存儲模塊使用AT24C08，具有8kB的數(shù)據(jù)存儲容量，加上單片機自身60kB Flash的容量滿足數(shù)據(jù)存儲需要，通過I2C總線與單片機連接，能快速、準確的存儲和讀取數(shù)據(jù)。ZigBee收發(fā)模塊選擇CC2420，CC2420具有低功耗、高抗干擾能力、獨立的發(fā)送接收緩存、外部組件很少、對802.15.4MAC的硬件支持和硬件安全等特點，這些為硬件和軟件設(shè)計提供了很大的方便。由于節(jié)點一般是分散在現(xiàn)場的各個地方，所以選擇電池作為統(tǒng)一供電電源，而單片機和ZigBee無線模塊使用的電壓為1.8V～3.3V，所以使用兩節(jié)1.5V電池串聯(lián)提供3V的電源。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器的功能是負責組建本無線網(wǎng)絡(luò)，允許各個節(jié)點加入與退出網(wǎng)絡(luò)，以及把各個節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)上傳至PC上位機。與節(jié)點組成一樣，只是少了一個傳感器模塊，如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器承擔整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，并和PC上位機通信，其工作流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

3.2 節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee節(jié)點有兩種:帶路由功能的節(jié)點和不帶路由功能的節(jié)點。前者比后者多了能夠把數(shù)據(jù)包傳遞到下個節(jié)點的功能，在這里給出前者的工作流程，如圖5所示。

圖5 路由節(jié)點軟件流程圖

3.3 上位機

上位機功能:1)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)命令，如讀取某個節(jié)點的數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)等，2)能夠?qū)ψx到的數(shù)據(jù)進一步處理，如數(shù)據(jù)包包含了幀頭、網(wǎng)絡(luò)PANID、各個節(jié)點短地址、現(xiàn)場數(shù)據(jù)、校驗碼、幀尾等，把這些數(shù)據(jù)區(qū)分開來，放到對應(yīng)的位置。選擇VB編程界面設(shè)計上位機，VB是比較成熟、快速的上位機開發(fā)工具，其可視化界面簡便實用，而且有專門和數(shù)據(jù)庫連接的控件，方便數(shù)據(jù)處理［5］。

4 結(jié)語

系統(tǒng)結(jié)合了MSP430單片以及ZigBee的特點，提供了低功耗、低成本的無線數(shù)據(jù)傳輸解決方案。網(wǎng)絡(luò)還具有自修復(fù)能力，節(jié)點的斷開與加入網(wǎng)絡(luò)都可以自動實現(xiàn)，容錯性好，電源的設(shè)計考慮到ZigBee技術(shù)的分布性選擇使用電池，可以持續(xù)使用6～24個月［6］，傳感器模塊更換一下，就能夠應(yīng)用到其他領(lǐng)域，對于數(shù)據(jù)傳輸量不大，實現(xiàn)遠距離控制的工業(yè)現(xiàn)場是不錯的選擇。

［1］徐志，陳彬兵.自組織ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信研究［J］.通信技術(shù)，2009，42(12):128-131.

［2］Chipcon As SmartRF CC2420 Prelininary Datasheet(rev1.2)，2004.

［3］彭燕.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(5):49-51.

［4］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［5］孫學巖.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010，(8):47-49.

［6］吳光榮，章劍雄.基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，(12):121-124.