張銳王笑宇

（1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館，河南 駐馬店 463000）

基于ZigBee遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

張銳1王笑宇2

（1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館，河南 駐馬店 463000）

基于ZigBee遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)具有功耗低、建網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，成為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文將圍繞某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，從ZigBee技術(shù)特點(diǎn)、架構(gòu)協(xié)議分析入手，通過(guò)對(duì)終端、匯聚節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)，并從系統(tǒng)測(cè)試中提出一種應(yīng)用方案。該系統(tǒng)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)；遠(yuǎn)程采集傳輸；CC2430；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，以無(wú)線通信和數(shù)據(jù)采集、傳輸為特色的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因其優(yōu)越的性能和低能耗成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)，ZigBee技術(shù)以低速率、短距離、低成本、自組網(wǎng)、多向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中脫穎而出。［1］

1 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)及協(xié)議分析

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在系統(tǒng)能耗上具有延時(shí)短、結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)量大，以AES128對(duì)稱碼進(jìn)行多重校驗(yàn)，更具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和安全性，尤其是良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及自愈能力，在不同現(xiàn)場(chǎng)更具有廣闊的覆蓋范圍和適應(yīng)性。依據(jù)OSI協(xié)議模型要求，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自下而上分別為物理層、媒體訪問控制子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四部分；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)設(shè)備的初始化、發(fā)現(xiàn)路由及協(xié)同通信，應(yīng)用層主要對(duì)各設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置。

1.2 ZigBee協(xié)議分析

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議架構(gòu)上，根據(jù)不同層的功能分屬不同協(xié)議。在底層物理層、介質(zhì)訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層，遵循IEEE802.15.4協(xié)議。物理層定義2.4GHz和868/915MHz兩個(gè)頻段，并通過(guò)RF固件為介質(zhì)訪問子層提供通信服務(wù)，其數(shù)據(jù)包格式為同步幀頭、物理幀頭、物理層凈荷；［2］數(shù)據(jù)鏈路層MAC主要對(duì)鏈路層節(jié)點(diǎn)之間提供數(shù)據(jù)傳輸；ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE801.15.4標(biāo)準(zhǔn)上，利用SAP接口滿足各層間數(shù)據(jù)傳輸和通信。

2 基于ZigBee遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)分析

以某礦井遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例。

2.1 系統(tǒng)框架分析

根據(jù)礦井監(jiān)測(cè)實(shí)際，設(shè)計(jì)一個(gè)多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最底層為傳感器網(wǎng)絡(luò)；中間層對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集至匯聚節(jié)點(diǎn)，利用網(wǎng)絡(luò)路由傳輸至上層；上層為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至Internet網(wǎng)，完成整個(gè)信息采集傳輸要求。

2.2 系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與方案優(yōu)化

ZigBee芯片采用Chipcon公司的CC2430，其功耗低、開發(fā)和調(diào)試環(huán)境完善，且適用性強(qiáng)。CC2430提供128k的閃存空間，配以8051MCU，為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集提供可靠、穩(wěn)定的技術(shù)支撐；對(duì)于GPRS模塊采用SIEMENS的MC55芯片，內(nèi)置GSM模塊和TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。［3］在軟件平臺(tái)上，選用IAR Embedded Workbench（EW）作為開發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌C/C++編譯器、匯編器、C-SPY調(diào)試器等，更具競(jìng)爭(zhēng)力。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集的過(guò)程，其結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)簡(jiǎn)單，其工作機(jī)制為接收采集指令，從睡眠模式啟動(dòng)，完成數(shù)據(jù)采集，利用主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

3.1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)，分為模擬量和脈沖量?jī)煞N方式。對(duì)于模擬量數(shù)據(jù)，如壓力、溫度等參數(shù)，利用MCU模塊來(lái)接收相應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行處理。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換電路活動(dòng)4-20mA的電流時(shí)，經(jīng)過(guò)電阻得到一個(gè)壓降值，并送至放大器，再經(jīng)過(guò)分壓來(lái)判定壓降值變化。當(dāng)輸入電壓＜4mA時(shí)，電壓差為0，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電流向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

從現(xiàn)場(chǎng)采集的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦合器，轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的方波信號(hào)，再通過(guò)放大濾波電路及外圍電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理，并傳送給CC2430主控系統(tǒng)的I/O接口。另外，在采集系統(tǒng)信號(hào)放大及濾波模塊設(shè)計(jì)上，選用集成儀表放大器AD620，其體積小，采用SOIC封裝，具有較好的直流及交流特性，能夠滿足最大輸入失調(diào)電壓50V，最大輸入偏置電流2.0nA要求。

3.2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在采集終端的軟件設(shè)計(jì)上，利用傳感器終端程序、采集模塊軟件、射頻通信軟件來(lái)完成。當(dāng)收到采集指令則喚醒主控單元，利用定時(shí)器中斷進(jìn)入休眠狀態(tài)等。

4 數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)主要包括路由和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過(guò)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，由路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后與GPRS系統(tǒng)模塊完成數(shù)據(jù)交互。

4.1 匯聚系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

匯聚系統(tǒng)長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。其工作機(jī)制為：接收來(lái)自采集終端的數(shù)據(jù)，并傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，封裝后發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，在ZigBee系統(tǒng)調(diào)度下完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能。［4］由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由轉(zhuǎn)換功耗較大，需要外接電源。

4.2 匯聚系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在匯聚節(jié)點(diǎn)，硬件系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由電路設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器主要包括電源系統(tǒng)、MCU控制芯片、Flash存儲(chǔ)器、USB接口、串口電路、LCD顯示及時(shí)鐘系統(tǒng)等。電源系統(tǒng)主要完成外接22V交流電壓的轉(zhuǎn)換，以滿足系統(tǒng)3.3V直流和5V串口電路供電需要；串口芯片采用MAX3221CAE，利用DIP-16封裝方式滿足TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換；路由模塊電路設(shè)計(jì)與采集終端相似，增加存儲(chǔ)器模塊和LCD顯示系統(tǒng)。本研究中存儲(chǔ)器選用NAND閃存K9F2808U0C，工作電壓為2.7-3.6V，總存儲(chǔ)容量達(dá)132Mb，具有自動(dòng)編程和擦寫功能。

4.3 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心主要有兩個(gè)模塊，一是管理終端模塊，二是數(shù)據(jù)服務(wù)器。管理終端主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行相應(yīng)處理，數(shù)據(jù)服務(wù)器主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，便于查詢及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控操作。

5 系統(tǒng)調(diào)試及總結(jié)

本系統(tǒng)在測(cè)試中采用四個(gè)采集終端、一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、一個(gè)協(xié)調(diào)器和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果表明，隨著測(cè)試距離及傳送字符數(shù)的增加，ZigBee網(wǎng)絡(luò)丟包率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，數(shù)據(jù)傳輸量越大，準(zhǔn)確率也相繼下降?？偟膩?lái)看，通信距離在10—75 m之間具有較高的傳輸準(zhǔn)確度。星狀網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果表明，采集終端與協(xié)調(diào)器之間的星狀距離不能超過(guò)700m，否則影響通信質(zhì)量。在能耗測(cè)試中，采集終端采用電池供電，匯聚節(jié)點(diǎn)采用交流電源，整體能耗符合低功耗設(shè)計(jì)要求。

［1］ 茍爭(zhēng)旭，周淵平.基于GSM和ZigBee的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］. 通信技術(shù). 2011（08）：82-84.

［2］ 楊偉，孫志雄，韓建文.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)的應(yīng)用［J］. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用. 2013（04）：49-51.

［3］ 宋霄薇，呂藝.光電式速度傳感器的工作原理及常見故障處理［J］. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2012（03）：35-37.

［4］ 余松濤.嵌入式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 電子科技. 2013（05）：90-92.

TP273 文獻(xiàn)識(shí)別碼A

1003-5168（2015）11-006-02

張銳（1980—），女，本科，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)