中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 段素平

基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 段素平

設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集自組網(wǎng)系統(tǒng)。介紹了協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，然后闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。通過三組實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)自組網(wǎng)、自愈路由算法和數(shù)據(jù)采集三個(gè)方面進(jìn)行了測(cè)試。

ZigBee；自組網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集

引言

當(dāng)前，對(duì)于一定區(qū)域內(nèi)的設(shè)備和信息進(jìn)行檢測(cè)和采集多采用有線的方式，采用這種有線組網(wǎng)方式往往布線困難，施工費(fèi)用高。同時(shí)，有線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)完成后，也會(huì)因環(huán)境的影響造成腐蝕和損壞，增加了后期的維護(hù)成本，也給正常工作帶來一定的影響。ZigBee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本以及組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)。基于此，從節(jié)省成本、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度以及低功耗考慮，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集自組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)中存在三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要可以組成星形網(wǎng)絡(luò)、樹簇網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。

星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合小范圍的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)建起來麻煩，維護(hù)的信息也較多；樹簇網(wǎng)絡(luò)可以看做由多個(gè)簡(jiǎn)單星形網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)清晰，各節(jié)點(diǎn)功能明確，故本系統(tǒng)采用樹簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 通信自組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間工作在一定區(qū)域，能耗絕決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期?；诖?，采用低功耗的CC2420作為本系統(tǒng)的主控芯片，用于ZigBee的片上系統(tǒng)，內(nèi)部集成射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、8KB字節(jié)RAM以及包含串口在內(nèi)的多種接口，封裝小，功耗低。

2.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及與上位機(jī)通信，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

（1）協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置，是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器確定ZigBee網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和操作的物理信道，并統(tǒng)籌短地址分配，提供數(shù)據(jù)路由和安全管理服務(wù)。

（2）在本系統(tǒng)自組網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)、從終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到路由器的數(shù)據(jù)都將交付給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)處理和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。

（3）為了保存一些設(shè)置的參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的某些狀態(tài)從而方便調(diào)試，以及對(duì)終端節(jié)點(diǎn)采集的信息進(jìn)行備份，協(xié)調(diào)器通過RS232串口電路與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 路由器和終端節(jié)點(diǎn)

在智能雷通信自組網(wǎng)中，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙ぷ?。路由器允許終端節(jié)點(diǎn)或其他路由器加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由并協(xié)助終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離。兩種節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖3所示。

傳感器電路負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；CC2420完成數(shù)據(jù)處理以及整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的任務(wù)管理；射頻天線設(shè)計(jì)采用巴倫匹配電路（BALUN電路），滿足輸入輸出匹配電阻（50Ω）要求；ROM存儲(chǔ)電路負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息；電源模塊采用電池，為整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電。

圖3 節(jié)點(diǎn)組成框圖

3 采集自組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，分別對(duì)串口、存儲(chǔ)電路等初始化。接著，協(xié)調(diào)器通過調(diào)用函數(shù)MAC_MlmeScanReq((ma cMlmeScan_Req_t*)pData)對(duì)信道能量進(jìn)行掃描，能量水平高標(biāo)志該信道無線信號(hào)活躍，協(xié)調(diào)器根據(jù)能量掃描信息選擇一個(gè)合適的信道。同時(shí)，協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)合適的信道網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PAN ID），從而啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立，并允許其他設(shè)備加入。當(dāng)有子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)入網(wǎng)時(shí)，協(xié)調(diào)器要為子節(jié)點(diǎn)分配16 bit的網(wǎng)絡(luò)短地址。網(wǎng)絡(luò)建立后，協(xié)調(diào)器的主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，接收各子節(jié)點(diǎn)的信息并發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 路由器軟件設(shè)計(jì)

路由器上電初始化完成后，將申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后若有其他節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入，需要判斷申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)是路由器還是終端節(jié)點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)配置系統(tǒng)加載項(xiàng)，完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)工作。若節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功，路由器為該申請(qǐng)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。完成上述工作后，路由器下一步將建立節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路，從而可通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供網(wǎng)絡(luò)的連通性。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)初始化完成后，將選擇合適路由節(jié)點(diǎn)加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后終端節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到被觸發(fā)。若被觸發(fā)，則終端節(jié)點(diǎn)開始采集信息，并緩存到緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖器被填滿，程序就調(diào)用相關(guān)函數(shù)將信息發(fā)送出去。若發(fā)送成功，節(jié)點(diǎn)返回休眠狀態(tài)；若不成功，則重新發(fā)送該段數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本組實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的自組性、網(wǎng)絡(luò)自愈性以及數(shù)據(jù)采集的正確性。

4.1 網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)測(cè)試

選擇1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)具有路由器以及3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)來組成樹簇網(wǎng)絡(luò)。為將上述節(jié)點(diǎn)上電，讓它們自動(dòng)組網(wǎng)。同時(shí)，利用串口調(diào)試助手顯示協(xié)調(diào)器接受到的數(shù)據(jù)。

可以看出此時(shí)所有設(shè)備入網(wǎng)完畢，都存在唯一地址，其中協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)地址為0。為路由器分配的網(wǎng)絡(luò)地址分別為0x0001和0x0007。0x0001路由器所連接的終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址為0x0004，0x0007路由節(jié)點(diǎn)所連接的終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址為0x000A，而直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接的傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址為0x000D。

4.2 自愈路由算法測(cè)試

關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)地址為0x0001的路由器電源，從而斷開其網(wǎng)絡(luò)連接。這種情況下，0x0004終端節(jié)點(diǎn)會(huì)搜索潛在的父設(shè)備，并將獲得新的網(wǎng)絡(luò)地址，綁定入網(wǎng)。

4.3 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

為了直觀地驗(yàn)證本采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，路由器和終端節(jié)點(diǎn)連接溫度傳感器。為了便于分析，采集同一溫度源的溫度，每隔一段時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)。

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[3]田亞．基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2007．