基于ZigBee的数据采集系统.pdf

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1、第 2 2卷 第 3 期 2 0 0 9 年 9月 宁 波 大 学 学 报(理 工 版)J OURNAL OF NI NGBO UNI VE RS I T Y(NS EE)、，0 1 2 2 NO 3 S e p t 2 0 0 9 文章编号：1 0 0 1 5 1 3 2(2 0 0 9)0 3 0 3 1 3 0 4 基于 Z i g B e e 的数据采集系统 张瑛瑛，朱双东 ，丁鑫矗(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 3 1 5 2 1 1)摘要：鉴于 Z i g B e e 技 术适合用于数据采集 系统的的特点，提 出了基于 Z i g B e e的数据采集系统的 设计方案，

2、着重探讨Z i g B e e 节点的硬件设计及其组网设计 并详细讨论 了基于C C 2 4 3 0 芯片的数 据采集节点的硬件设计方案，组 网设计 中的协调器建立网络、节点加入及脱 离网络的设计方法，以及数据采集 系统的软件设计方法最后通过搭建温度采集 Z i g B e e网络的实验，证明新方案能 取 得 良好 的通信 效果 关键词：Z i g B e e；数据采集；无线传感器网络；单 片机 中图分类号：T P 3 9 3 文献标识码：A Z i g B e e是一种近距离、低功耗、低速率、低 成本 的无线传感器网络，已经在许多领域得到了 越来越多的应用，如温度、湿度、气体浓度、亮度、压力

3、等各种各样小数据量信息的采集，及传输可 以采用这种低功耗、低传输速率的无线传感器网络 在这些应用场合中，Z i g B e e网络与现有的各种无线 网络相比，有着独特 的优势，即低功耗、低速率、低成本由于 Z i g B e e设备工作时问较短，收发信 息功耗较低且采用休眠模式，使得它非常省电，电 池可使用长达 6个月至 2年左右 Z i g B e e工作在 2 5 0 k b p s 的通信速率，足已满足低速率通信传输的 需要，且 2 4 G Hz 的工作频段是免费频段 Z i g B e e 联盟成立于2 0 0 1 年，在其创始之初，加 入该联盟的有英国 I n v e n s y s

4、、日本三菱 电气、美国 摩托罗拉 以及荷兰飞利浦等 3 0多家企业如今，已有越来越多的国内外企业致力于 Z i g B e e的研究 与开发，包含芯片制造商、软件开发者、终端制造 商以及服务供应商等在内的一条完整的产业链 在其他无线通信技术不断追求高速率、远距离的同 时，Z i g B e e 却向着低速率、近距离的方向迈进，其 目的就是为了大幅降低无线终端的成本和功耗 1 硬件设计 数据采集节点主要由传感模块、数据处理存储 模块、无线通信模块等几部分组成 目前生产 Z ig B e e芯片的厂商主要有美国的 C h ip c o n、F r e e s c a le、英国的 J e n n

5、i c 等公司 笔者选 用的是 C h i p c o n公司的 C C 2 4 3 0芯片，与 C h i p c o n 公司早期的 C C 2 4 2 0芯片、F r e e s c a l e的 MC1 3 2 1 3 芯片及J e n n ic 的J N 5 1 2 l 芯片等其他同类产品相比，它具备了集成度高、功耗低、功能强等优点，同时 也具有与 Z i g B e e 8 0 2 1 5 4全兼容的硬件层、物理 层，并在单个芯片上整合了 Z i g B e e射频前端、内 收稿 日期：2 0 0 8 0 7-0 3 宁波大学学报(理工版)网址：h t t p：3 x b n b

6、u e d u c n 基金项 目：浙江省科技计划项 目(2 0 0 7 C 2 1 1 7 9)第一作者：张瑛瑛(1 9 8 4 一)，女，福建宁德人，在读硕士研究生，主要研究方向：Z i g B e e 无线传感器网络 E-ma i l：b u t a l e n e y s i n a c o m 通讯作者：朱双东(1 9 5 0一)，男，山东沂源人，教授，主要研究方向：智能信息处理 E-ma i l：z h u s h u a n g d o n g n b u e d u c n 3 1 4 宁波大学学报(理工版)存和微控制器及 C C 2 4 2 0 射频收发器；2节 5 号 电池

7、 可以使用半年到2 年时问，特别适合要求电池寿命 长的应用；2 1 个可编程的I O口可连接多个传感器；内带 8 路 A D转换器，转换位数 8位至 1 4位可选，可 以将传感器送来 的模拟信号转换 为数字信 号；包含增强型 8 0 5 l内核，其每个时钟周期为 1个机 器周期，并具有除去被浪费掉的总线状态的方式，使得它比标准 8 0 5 l内核具有更快的执行时问，且 还增加了 1 个数据指针和扩展 l 8 个 中断源 数据采集节点硬件设计如图 l 所示 该芯片外 接 3 2 MHz的晶振和多路电源，根据实际应用需要 连接相应的传感器进行数据采集、A D转换、数据 处理，并将得到的数据经阻抗匹

8、配网络进行处理，最终通过天线发送出去 无线收发电路如需得到 好的射频性能，供 电电源必须经过良好的滤波，并 且与数字电路分开；在射频信号输出部分通过阻 抗匹配网络，实现阻抗匹配，使到达天线的信号最 强；还需要防止高频信号泄漏，避免对发射信号造 成较大的干扰 数据的收发情况以及节点和网络 的连接、脱离情况可以通过串行口或 L C D进行观 察以上所述的基于 C C 2 4 3 0的数据采集节点的硬 件设计方法具有电路简单、信号稳定、成本低的特 点 图 1 硬件设计简化框 图 2 组网设计 2 1 协调器建立网络 当 F F D设备(F u l l F u n c t i o n De v i c

9、 e)在第 1 次被 激活后，首先搜索其通信范围内已存在的网络，如 果找到相应网络，则通过一系列对话后，该设备就 可成为此网络中的普通设备 否则，这个 F F D设 备就将 自己作为协调器来建立网络 而对话在协 议栈的层 与层之间通过服 务原语来进行，原语对 话过程如图 2所示 图 2协 调 器 建立 新 网络 的 流 程 图 协调器应用层生成的NI ME NE T wOR K F OR MA T I O N r e q u e s t原语发送给网络层请求建立网络，网络层再通过 ML ME S C AN r e q u e s t原语向 MA C 层请求检测信道能量及扫描信道，收到确认后，为

10、新网络设置 1 个 P A NI d(网络号)，通过 ML ME S E T 原语将 P A NI d设置为 MAC层 ma c P A NI d，网络层 再通过 ML ME S T AR T r e q u e s t 原语向 MA C层请求 运行 网络，收到确认后运行 网络，网络建立成功 而服务原语明细表见表 1 如果 NI ME-NE T WOR K F OR MA T I O N r e q u e s t 中已指定 P A N I d 且不与已有 P A N I d冲突，则将它 设置为新I jc)4 络的 P A NI d，否则随机选择 1 个不为广 播 P A N 标志符(O x

11、F F F F)fl 4J 符号作为 P A NI d 如果 选不出唯一的 P A N 标识符，网络层则将终止建立 网络的过程 网络的建立要 由网络协调器发起【3】，否则通过 串口或 L C D能观察到网络建立失败的信息：“N e t wo r k J o i n F AI L E D!Wa i t i n g t h e n t r y a g a i n!”当网络 协调器启动以后，就会出现网络建立成功的信息 2 2 节点加入或脱离网络 节点被激活后，如果找到 已存在的网络，本节 点将根据所获得的网络信息选定 1 个父节点，并提 第 3期 张瑛瑛，等：基于 Z i g B e e 的数据采集

12、系统 表 1 服务原语明细表 出入网申请，同时等待父节点的请求响应 当得到 允许后，子节点将得到父节点分配给它的 1 个 网络 地址(也称为短地址)作为网络内的身份标识，成功 建立链接 加入网络后，该节点可 以接受新节点的 入网请求 通过一级一级的地址分配，可以构成较 大的网络 4 节点加入及脱离 网络的握 手示意图如 图 3所示 A 节 点 B节点 A 节点 B 节点 清求脱离 网络 同意其 脱离网络 取消链接 图 3 节点加 入及脱 离网络 的握手 示意图 2-3 软件设计 若构建的是星状网络，则 采集 节点先发送 信 息给接收节点(即网络协调节点)，检查链路是否已 链接 在确定链接后，在

13、采集节点进行数据的采集 与发送，网络协调节点则将进行数据的接收与显 示，实现系统的功能 若构建的是树状或网状网络，则采集节点与网络协调节点问将通过多跳数据转 发机制进行数据传输，其中还需要路由协议进行 分组转发操作 采集节点与网络协调节点软件流 程图如图 4所示 图 4 采集节点与网络协调节点软件流程 3 温度采集网络 由于 C C 2 4 3 0内置了温度传感器，在实验中搭 建温度采集的 Z i g B e e采用星型网络星型网络的 末端节点负责进行数据的采集和发送，中心节点 将实现数据的接收与显示 为使各个节点采集的 3 l 6 宁波大学学报 f 理工版)2 0 0 9 数据同时使 中心节

14、点接收，需要将末端节点的 目 标地址都设置为中心节点的本机地址 实验中，该 温度采集系统通信良好，在有障碍物环境下的通 信距 离明显低于在空旷的环境 下，此 时可通过增 大模 块的射频功率 和增加 中继点 的方法来解决 当检测到的温度准确度也不太高，则需要采用更 高准确度的传感器 4结语 提出了一种基于 Z i g B e e的数据采集系统的没 计方案 在实验q J 搭建了温度采集的 Z i g B e e IN络，通信 良好，并实现了该系统的功能 Z i g B e e 络的 覆盖范 一般为J L-一 米，但是可以通过 关与其 他网络(例如 Wi F i、以太网)进行连接，从而达到扩 大网络

15、覆盖范围或远程监控的 目的，这将使得 Z i g B e e优 良特性得到更好的体现，使得它有更广 阔的应用前景 参考文献：1 G a r c i a L R，B a r r e i r o P P e r f o r ma n c e o f Z i g B e e b a s e d wi r el e s s s e ns or n od es f or r e a l t i me mon i t o r i ng of f r u i t l o g i s t i c s J J o u r n a l o f F o o d E n g i n e e r i n g，2 0 0

16、 8，8 7：4 0 5 4l 5 2】李文仲，段朝玉 Z i g B e e无线嘲络技术入f J 与实战 M】北 京：北 京吭卒航天 大学出版社，2 0 0 7 3 齐楠，韩波，李乎 基于Z i g B e e 的智能家庭无线传感器 络【J 机电1 程，2 0 0 7，2 4(3)：2 0 2 2 【4 成锐，李静，雷鸣，等基于Z i g B e e的无线传感器刚络 设 汁方案 J 电千元器件应崩，2 0 0 7，9(1 2)：5 4 5 8 Zi g Be e b a s e d De s i g n o f Da t a Ac q u i s i t i o n S y s t e m

17、ZHANG Yi n g y i n g，ZHU S hu a n g d on g ，D1 NG Xi n ya o (F a c u l t y o fI n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,Ni n g b o Un i v e r s i t y，Ni n g b o 3 I 5 2 I 1 Ch i n a 1 Abs t r a c t：Th e f e a t ur e s o f Zi g Be e ma k e i t s u i t a bl e f o r t he a p p l i c

18、a t i o n o f d a t a a c q ui s i t i o n s ys t e m I n t hi s pa p e r，t h e de s i g n o ft he Zi g Be e ba s e d da t a a c q ui s i t i o n s ys t e m i s p r o p os e dBo t h ha r d wa r e d e s i g n of t h e Zi gBe e n o d e s a n d t h e d e s i g n o f n e t wo r k f o r mi ng a r e s p e

19、 c i f i c a l l y i n ve s t i g a t e d，wi t h t h e f o r me r s t r e s s i ng o n t h e d e s i g n o f t h e CC2 4 3 0一 b a s e d d a t a a c q ui s i t i on n o d e s Al s o，t h e me c h a n i s m o f ne t wo r k f o r m i n g u s i n g c o o r d i n a t or a n d t h e n e t w o r k n o d e-j

20、 o i n i n g o r-d i s j o i n i n g j S d i s c u s s e d T h e p a p e r i s e n d e d w i t h a d e s i g n c a s e o f t h e Z i g B e e n e t w o r k f or t e mp e r a t u r e a c q ui s i t i o n wh i c h de mon s t r a t e s s a t i s f a c t o r y c o mmu ni c a t i on r e s u l t s Ke y wo r ds：Zi g Be e；d a t a a c q ui s i t i o n；wi r e l e s s s e ns or n e t wo r k；s i ng l e c hi p CI C a nm be r：TP3 9 3 DO C Ume n t c o de：A(责任编辑章践立)