基于ZigBee 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于 ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘要:鑒于 ZigBee技術(shù)適合用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的的特點(diǎn) , 提出了基于 ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案, 著重探討 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及其組網(wǎng)設(shè)計(jì). 并詳細(xì)討論了基于xbee模塊的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案 , 組網(wǎng)設(shè)計(jì)中的協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法 , 以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法. 最后通過搭建溫度采集 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn) , 證明新方案能取得良好的通信效果. 關(guān)鍵詞: ZigBee;數(shù)據(jù)采集; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 單片機(jī) 。ZigBee是一種近距離、低功耗、低速率、低商以及服務(wù)供應(yīng)商等在內(nèi)的一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈 . 成本的

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了在其他無線通信技術(shù)不斷追求高速率、遠(yuǎn)距離的同越來越多的應(yīng)用, 如溫度、濕度、氣體濃度、亮度、時(shí), ZigBee卻向著低速率、近距離的方向邁進(jìn), 其壓力等各種各樣小數(shù)據(jù)量信息的采集, 及傳輸可目的就是為了大幅降低無線終端的成本和功耗. 以采用這種低功耗、低傳輸速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò). 在這些應(yīng)用場合中, ZigBee網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的各種無線1硬件設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)相比, 有著獨(dú)特的優(yōu)勢 , 即低功耗、低速率、低成本. 由于 ZigBee設(shè)備工作時(shí)間較短 , 收發(fā)信數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由傳感模塊、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)息功耗較低且采用休眠模式 , 使得它非常省電 , 電模塊、無線通信模塊等

3、幾部分組成1. 池可使用長達(dá) 6個(gè)月至 2年左右. ZigBee工作在 目前生產(chǎn) ZigBee芯片的廠商主要有美國的 250 kbps的通信速率, 足已滿足低速率通信傳輸?shù)腃hipcon、Freescale、英國的 Jennic等公司 . 筆者選需要, 且 2.4 GHz的工作頻段是免費(fèi)頻段. 用的是 Digi公司的xbee模塊。ZigBee聯(lián)盟成立于 2001年, 在其創(chuàng)始之初 , 加公司早期的 xbee模塊、 Freescale的 MC13213入該聯(lián)盟的有英國 Invensys、日本三菱電氣、美國芯片及 Jennic的 JN5121芯片等其他同類產(chǎn)品相比, 摩托羅拉以及荷蘭飛利浦等 30

4、多家企業(yè) . 如今, 它具備了集成度高、功耗低、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) , 同時(shí)已有越來越多的國內(nèi)外企業(yè)致力于 ZigBee的研究也具有與 ZigBee/802.15.4全兼容的硬件層、物理與開發(fā), 包含芯片制造商、軟件開發(fā)者、終端制造層, 并在單個(gè)芯片上整合了 ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器及射頻收發(fā)器; 2節(jié) 5號(hào)電池可以使用半年到 2年時(shí)間, 特別適合要求電池壽命長的應(yīng)用;可編程的 I/O口可連接多個(gè)傳感器; 內(nèi)帶 8路 A/D轉(zhuǎn)換器, 轉(zhuǎn)換位數(shù) 8位至 14位可選, 可以將傳感器送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ; 包含增強(qiáng)型 8051內(nèi)核, 其每個(gè)時(shí)鐘周期為 1個(gè)機(jī)器周期, 并具有除去被浪費(fèi)

5、掉的總線狀態(tài)的方式 , 使得它比標(biāo)準(zhǔn) 8051內(nèi)核具有更快的執(zhí)行時(shí)間 , 且還增加了 1個(gè)數(shù)據(jù)指針和擴(kuò)展 18個(gè)中斷數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖 1所示. 該芯片外接 32 MHz的晶振和多路電源, 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要連接相應(yīng)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理, 并將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理 , 最終通過天線發(fā)送出去. 無線收發(fā)電路如需得到好的射頻性能 , 供電電源必須經(jīng)過良好的濾波 , 并且與數(shù)字電路分開 ; 在射頻信號(hào)輸出部分通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) , 實(shí)現(xiàn)阻抗匹配 , 使到達(dá)天線的信號(hào)最強(qiáng); 還需要防止高頻信號(hào)泄漏 , 避免對發(fā)射信號(hào)造成較大的干擾. 數(shù)據(jù)的收發(fā)情況以及節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的連

6、接、脫離情況可以通過串行口或 LCD進(jìn)行觀察. 以上所述的基于 xbee的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方法具有電路簡單、信號(hào)穩(wěn)定、成本低的特點(diǎn). 圖 1 硬件設(shè)計(jì)簡化框圖圖 2 協(xié)調(diào)器建立新網(wǎng)絡(luò)的流程圖2、組網(wǎng)設(shè)計(jì) 2.1協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)當(dāng) FFD設(shè)備(Full Function Device)在第 1次被激活后, 首先搜索其通信范圍內(nèi)已存在的網(wǎng)絡(luò) , 如果找到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò) , 則通過一系列對話后 , 該設(shè)備就可成為此網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備2. 否則, 這個(gè) FFD設(shè)備就將自己作為協(xié)調(diào)器來建立網(wǎng)絡(luò). 而對話在協(xié)議棧的層與層之間通過服務(wù)原語來進(jìn)行, 原語對話過程如圖 2所示. 協(xié)調(diào)器應(yīng)用層生成的 NIME-NET

7、WORK-FORMATION.request原語發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層請求建立網(wǎng)絡(luò) , 網(wǎng)絡(luò)層再通過 MLME-SCAN.request原語向 MAC層請求檢測信道能量及掃描信道, 收到確認(rèn)后, 為新網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 1個(gè) PANId (網(wǎng)絡(luò)號(hào) ),通過 MLME-SET原語將 PANId設(shè)置為 MAC層 macPANId, 網(wǎng)絡(luò)層再通過 MLME-START.request原語向 MAC層請求運(yùn)行網(wǎng)絡(luò) , 收到確認(rèn)后運(yùn)行網(wǎng)絡(luò) , 網(wǎng)絡(luò)建立成功 . 而服務(wù)原語明細(xì)表見表 1. 如果 NIME-NETWORK-FORMATION.request中已指定 PANId且不與已有 PANId沖突, 則將它設(shè)置為新網(wǎng)絡(luò)的

8、 PANId,否則隨機(jī)選擇 1個(gè)不為廣播 PAN標(biāo)志符 (0xFFFF)的符號(hào)作為 PANId.如果選不出唯一的 PAN標(biāo)識(shí)符, 網(wǎng)絡(luò)層則將終止建立網(wǎng)絡(luò)的過程. 網(wǎng)絡(luò)的建立要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起 3, 否則通過串口或 LCD能觀察到網(wǎng)絡(luò)建立失敗的信息: “Net- work Join FAILED!Waiting then try again!”. 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)以后, 就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立成功的信息 . 2.2節(jié)點(diǎn)加入或脫離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被激活后 , 如果找到已存在的網(wǎng)絡(luò) , 本節(jié)點(diǎn)將根據(jù)所獲得的網(wǎng)絡(luò)信息選定 1個(gè)父節(jié)點(diǎn), 并提表 1 服務(wù)原語明細(xì)表原語功能返回值所在層 NIME-NETWORK-FOR

9、MATION.request 建立網(wǎng)絡(luò)請求應(yīng)用層 SUCCESS NIME-NETWORK-FORMATION.confirm 建立網(wǎng)絡(luò)確認(rèn) 網(wǎng)絡(luò)層 STARTUP-FAILUREMLME-SCAN.request 掃描信道請求網(wǎng)絡(luò)層 SUCCESS MLME-SCAN.confirm 掃描信道確認(rèn) MAC層 SCAN-FAILURE MLME-SET.request 設(shè)置 macPANId 網(wǎng)絡(luò)層 SUCCESS MLME-SET.confirm 設(shè)置 macPANId確認(rèn) MAC層 SET-FAILURE MLME-START.request 運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)請求網(wǎng)絡(luò)層 SUCCESS MLME-

10、START.confirm 運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)確認(rèn) MAC層START-FAILURE 出入網(wǎng)申請 , 同時(shí)等待父節(jié)點(diǎn)的請求響應(yīng) . 當(dāng)?shù)玫皆试S后, 子節(jié)點(diǎn)將得到父節(jié)點(diǎn)分配給它的 1個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址(也稱為短地址)作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的身份標(biāo)識(shí), 成功建立鏈接. 加入網(wǎng)絡(luò)后 , 該節(jié)點(diǎn)可以接受新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求. 通過一級(jí)一級(jí)的地址分配 , 可以構(gòu)成較大的網(wǎng)絡(luò)4. 節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)的握手示意圖如圖 3所示. 圖 3 節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)的握手示意圖 2.3軟件設(shè)計(jì)若構(gòu)建的是星狀網(wǎng)絡(luò) , 則采集節(jié)點(diǎn)先發(fā)送信息給接收節(jié)點(diǎn)(即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn) ), 檢查鏈路是否已鏈接. 在確定鏈接后 , 在采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送, 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)

11、節(jié)點(diǎn)則將進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與顯示, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能 . 若構(gòu)建的是樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) , 則采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間將通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 其中還需要路由協(xié)議進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)操作. 采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖 4所示. 圖 4 采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件流程 3、溫度采集網(wǎng)絡(luò)由于 CC2430內(nèi)置了溫度傳感器 , 在實(shí)驗(yàn)中搭建溫度采集的 ZigBee采用星型網(wǎng)絡(luò). 星型網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送, 中心節(jié)點(diǎn)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與顯示. 為使各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)同時(shí)使中心節(jié)點(diǎn)接收, 需要將末端節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)地址都設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)的本機(jī)地址 . 實(shí)驗(yàn)中, 該溫度采集系統(tǒng)通信良好, 在有障礙物環(huán)境下的通信距離明顯低于在空曠的環(huán)境下, 此時(shí)可通過增大模塊的射頻功率和增加中繼點(diǎn)的方法來解決 . 當(dāng)檢測到的溫度準(zhǔn)確度也不太高, 則需要采用更高準(zhǔn)確度的傳感器. 4、結(jié)語提出了一種基于