Zigbee数据中心

Zigbee数据中心（精选7篇）

Zigbee数据中心 篇1

0 引言

随着计算机和无线通信技术的迅速发展,ZigBee技术得到了广泛的应用。ZigBee技术是一种低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全、可自组网的无线传输技术,将ZigBee技术应用到需要数据采集的设备和系统中,将会实现数据采集的无线化、规模化。这样不仅摆脱了以往有线数据采集受地理位置、线路和复杂环境因素的限制,而且可以快速和方便地扩大数据采集的规模。

目前电力、水力和电信等单位都设置了很多无人值守的机房,而这些机房一般都位于比较偏远的地方,当机房发生温度过高或漏水的现象时,需要及时通知维护人员,以便及时赶到无人值守的机房,避免产生更大损失。随着计算机和无线通信技术的迅速发展,对机房实现无人值守的远程数据采集已经可以实现。本文提出了一种基于ZigBee的无人值守的远程数据采集系统,该系统利用ZigBee无线通信模块、温湿度传感器模块、计算机终端和安卓智能手机实现了较远距离的无线数据采集,实现了温度和湿度数据以及其它参数的远距离数据传输。此外,利用安卓智能手机的通信技术,利用其发送短信的功能远远扩大了人工监测数据的范围,稍加扩展可以应用于需要无人值守的远程数据采集,在远距离监测方面有很广泛的应用前景。

1 系统的设计

1.1 系统总体结构

基于ZigBee的远程数据采集系统主要由温湿度采集终端、ZigBee中继节点、PC机以及安卓智能手机控制终端四个部分组成,系统总体结构框图如图1所示。

温湿度采集终端采集数据后,通过CC2530ZigBee无线通信模块将数据发往ZigBee中继节点,ZigBee中继节点通过RS232转USB与PC总控中心进行通信,PC机接收到数据后进行相应的处理,同时ZigBee中继节点通过蓝牙与Android手机通信,在Android手机端也会将收到的数据。

1.2 CC2530/ZigBee无线通信模块结构

CC2530/ZigBee无线通信模块的原理框图如图2所示。

图2 CC2530/ZigBee无线通信模块的原理框图

(参见下页)

CC2530/ZigBee无线通信模块使用了CC2530芯片,其内嵌了8051CPU内核。本系统中温湿度采集终端及中继节点都应用了CC2530/ZigBee无线通信模块。对于温湿度采集终端来说,传感器将采集到的模拟量或数字量通过通用I/O传递给CC2530,再由CC2530直接或进行A/D转换后通过收发天线发送出去。对于中继节点,其接收到数据后将通过RS232转USB与PC通信,RS232转蓝牙与Android手机通信。

1.3 温湿度传感器模块结构

系统中采集温湿度的传感器是SHT10,该传感器包括一个电容式聚合体测量湿度元件和一个能隙式测量温度元件,并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现连接,具有稳定性高、精度高、能耗低等特点。外围电路简单,通过串行接口,直接输出数字信号。其接口电路原理图如图3所示。

这里温湿度采集终端中的CC2530是主机,SHT10作为从机与主机通过数据信号线DATA传输数据。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间,在SCK时钟高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号冲突,由CC2530内部8051 CPU将信号DATA拉到低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如10kΩ)将信号提拉至高电平。在控制方面,CC2530通过向SHT10发送不同命令分别获取温度与湿度的数据,SHT10还具有CRC-8校验功能,以确保数据传输的准确性。

2 软件设计与实现

2.1 CC2530/ZigBee的片上系统的编程

本系统对CC2530的编程采用了TI公司的ZStack协议栈,该协议栈将ZigBee通信抽象为物理层、介质访问控制层、网络层和应用层,其中应用层包含应用程序支持子层、应用程序框架层和ZDO设备对象。用户只需要编写应用层的代码即可实现相应功能。

2.2 系统软件的设计

PC机的主要功能是通过RS232转USB与ZigBee中继节点通信,将接收到的数据进行处理并实时显示在程序中,由于本系统可随时增加数据采集的节点,所以如果发现有新增节点,则会在程序界面中新增加显示的节点。此外,如果处理中发现温度湿度等测量参数超出之前用户设定的阈值,计算机则将发出警告。

系统软件基于对话框的MFC编程,调用了MSCOMM控件以接收通过串口传过来的数据。MSCOMM有事件驱动与查询两种工作方式,为了达到实时监测的目的,选择事件驱动的方式,一旦收到数据就调用数据处理函数进行分析处理。PC机系统软件的程序流程图如图4所示。

2.3 Android手机

Android智能手机通过蓝牙串口与中继节点通信,与PC总控中心一样,它将采集的数据显示在手机上,如果有参数超出之前用户设定的阈值,手机将会向指定的号码发送短信以警告。Android智能手机端编程基于AndroidSDK2.0(须注意2.0以上的SDK才开放蓝牙API)。Android智能手机蓝牙调用的过程是先通过Blue Tooth Adapter找到远端设备BlueToothDevice(该系统的中远端设备是一个串口转蓝牙),然后建立通信Socket,获取输入输出流。编程中需要在AndroidManifest.xml配置文件中添加相应的标签才可以获得使用蓝牙和发送短信的权限。安卓智能手机的程序流程图如图5所示。

图5 Android智能手机程序流程框图(参见右栏)

3 结束语

本文设计了一种基于ZigBee的无人值守的远程数据采集系统,此系统可以应用在较远距离、较大规模的楼宇监控等场合。由于Zig Bee自组网的特性,此系统可以任意添加数据采集终端来扩大数据采集的规模,同时改变数据采集终端的传感器可以增加采集数据的类型。此外,由于系统中应用Android智能手机发短信的功能,所以可以远距离监测采集到的数据,实现无人值守的检测功能,能够省去较多的人力资源。

参考文献

[1]王东东,郭文成.基于ZigBee技术的路灯无线网络控制系统设计[J].天津工业大学学报,2009,28(1):84-88.

[2]李小珉,赵志宏,郭志.ZigBee无线传感器网络组网实验[J].电子测量技术,2007,30(5):147-149.

[3]Datasheet SHT1x(SHT10,SHT11,SHT15)[EB/OL].http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/SHT1x_datasheet.pdf

[4]Texas Instruments.CC2530 Datasheet[EB/OL].http://www.ti.com.cn/product/cn/cc2530?247SEM.

Zigbee数据中心 篇2

相比较其他的一些短距离无线传输技术, Zig Bee技术具有低功耗、低成本、低速率、短延时、免执照频段等特点, 能够应用于数据量传输较小的工业控制领域。在实际的工业现场, 由于Zig Bee使用的是2.4 GHz的免费频段, 频率高导致其穿过障碍物的能力较低, 视距内的传输距离太短, 往往需要组建一定规模的无线局域网, 如何组建无线网络是必须解决的首要问题。

本文提出了一种自组织局域网的无线数据传输系统, 最多的跳跃点数是3个, 跳点太多会造成数据延迟性相应的增加[1]。Chipcon As公司的CC2420, 是首款符合2.4 GHz频率、IEEE802.15.4标准的Zig Bee无线收发器, 也是第一款适用于Zig Bee产品的RF器件, 性能稳定且功耗极低[2]。主控制器使用TI公司的MSP430F149芯片和CC2420组成网络中的协调器以及各个节点, 给出了系统的硬件、软件结构设计。

1 总体结构设计

系统主要由上位机、Zig Bee节点、Zig Bee协调器三部分组成如图1。上位机是在Visual Basic 6.0平台基础上开发的, 该平台拥有的图形用户界面 (GUI) 和快速应用程序开发 (RAD) 系统, 可以很容易使用ADO, DAO, RDO控件连接数据库, 对上位机接收的数据进行处理。Zig Bee节点主要用于现场数据采集, 简单处理数据, 而且部分节点还具有路由的功能, 可增加系统数据传输的距离和可靠性。Zig Bee网络这种多节点有序的特点可以稳定的传输数据, 组成一个容错性较好的采集系统。

采用部分网状拓扑结构, 不是所有的节点都可以互相通信, 它的优点是可以把网络的覆盖范围成几倍地扩大。系统中使用的CC2420收发器, 每两个之间的无障碍传输距离为70~80 m, 因为多个节点可以作为路由器使用, 所以网状拓扑结构就令整个网络无最大通信距离的限制。例如在图1中, 节点7可以通过以下路径把数据传送至PC上位机:7—2—协调器—PC, 还有一条是7—2—1—协调器—PC, 这是为了防止一条路径不通而影响整个系统的正常工作, 还可以有效的避开障碍物之类的因素[3]。

2 系统硬件设计

2.1 Zig Bee节点

Zig Bee节点的功能是采集现场的数据, 并将数据传送至Zig Bee协调器, 最终上传至PC上位机。Zig Bee节点主要由传感器模块、MCU模块、Zig Bee收发模块、存储模块以及供电模块五部分组成, 如图2所示。

传感器模块主要是采集现场数据, 可以根据现场需要使用不同的传感器采集数据;MCU模块选择MSP430F149单片机, 该芯片是16位处理器, 自身内置12位精度的A/D转换模块, 传感器得到的模拟信号可以直接传送给其进行AD转换, 不用专门设计A/D转换电路。另外有四种模式LPM1、LPM2、LPM3、LPM4写程序时可以调用不同的模式达到理想的低功耗效果[4]。两个串口可用, 一个作为RS232接口, 另一个SPI工作方式与无线模块数据通信。JTAG提供下载程序的接口, 指示灯为芯片上电指示。存储模块使用AT24C08, 具有8k B的数据存储容量, 加上单片机自身60k B Flash的容量满足数据存储需要, 通过I2C总线与单片机连接, 能快速、准确的存储和读取数据。Zig Bee收发模块选择CC2420, CC2420具有低功耗、高抗干扰能力、独立的发送接收缓存、外部组件很少、对802.15.4 MAC的硬件支持和硬件安全等特点, 这些为硬件和软件设计提供了很大的方便。由于节点一般是分散在现场的各个地方, 所以选择电池作为统一供电电源, 而单片机和Zig Bee无线模块使用的电压为1.8 V~3.3 V, 所以使用两节1.5 V电池串联提供3 V的电源。

2.2 Zig Bee协调器

Zig Bee协调器的功能是负责组建本无线网络, 允许各个节点加入与退出网络, 以及把各个节点发来的数据上传至PC上位机。与节点组成一样, 只是少了一个传感器模块, 如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 协调器软件设计

协调器承担整个Zig Bee网络的组建, 并和PC上位机通信, 其工作流程如图4所示。

3.2 节点软件设计

Zig Bee节点有两种:带路由功能的节点和不带路由功能的节点。前者比后者多了能够把数据包传递到下个节点的功能, 在这里给出前者的工作流程, 如图5所示。

3.3 上位机

上位机功能:1) 给Zig Bee网络发命令, 如读取某个节点的数据或者网络中所有节点的数据等, 2) 能够对读到的数据进一步处理, 如数据包包含了帧头、网络PANID、各个节点短地址、现场数据、校验码、帧尾等, 把这些数据区分开来, 放到对应的位置。选择VB编程界面设计上位机, VB是比较成熟、快速的上位机开发工具, 其可视化界面简便实用, 而且有专门和数据库连接的控件, 方便数据处理[5]。

4 结语

系统结合了MSP430单片以及Zig Bee的特点, 提供了低功耗、低成本的无线数据传输解决方案。网络还具有自修复能力, 节点的断开与加入网络都可以自动实现, 容错性好, 电源的设计考虑到Zig Bee技术的分布性选择使用电池, 可以持续使用6~24个月[6], 传感器模块更换一下, 就能够应用到其他领域, 对于数据传输量不大, 实现远距离控制的工业现场是不错的选择。

参考文献

[1]徐志, 陈彬兵.自组织ZigBee网络节点通信研究[J].通信技术, 2009, 42 (12) :128-131.

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

[3]彭燕.基于ZigBee无线传感器网络节点的研究[J].现代电子技术, 2011, 34 (5) :49-51.

[4]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

[5]孙学岩.基于ZigBee无线传感器网络的温室测控系统[J].仪表技术与传感器, 2010, (8) :47-49.

Zigbee数据中心 篇3

随着无线网络的不断兴起,由于无线网络技术极大的优越性,使得越来越多的行业有线产品和技术被无线替代,在我国,自动无线抄表技术(AMR)作为一种新型的抄表技术,具有易操作,成本低,不入户等优点, ZigBee作为一种新兴的无线网络技术,具有功耗低、速率低、可靠性高、保密性强等特点,同时工作于国际免费频段,相比其他无线技术的较高网络费用,大大降低了成本,很适合应用于自动无线抄表系统中。本文所设计终端是无线抄表中的重要一部分,数据收集主要采用RS 485总线和MCU控制模块,无线发送部分采用ZigBee无线通信模块。

1 ZigBee协议分析

ZigBee协议栈依次从最底层开始由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成,其中物理层和数据链路层由IEEE 802.15.4工作组制定,网络层和应用层(APL)由ZigBee联盟制定。物理层定义了3种流量等级:当频率采用868 MHz时,提供20 Kb/s的传输速率;当采用915 MHz时,提供40 Kb/s的传输速率;当采用2.4 GHz时,能够提供250 Kb/s的传输速率,在我国采用的是这种免费频段。数据链路层可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC),其功能包括数据包的分段与重组,数据包的顺序传输,无线链路的建立、维护和拆除,确认模式的帧传送和接收,信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理等。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。应用层是协议栈的最上层定义了各种类型的应用业务。该系统中主要涉及ZigBee网路中数据采集终端节点的设计,也可作为网络路由器应用。

2 无线抄表数据收发终端总体设计

RS 485总线具有很强的抗共模干扰能力,可以进行多点和双向通信,允许在一对双绞线上驱动一个或多个设备,这样就可以实现一个收发器管理多个用户电表。基于RS 485总线电表简单易操作,成本低,市场上很多都是采用RS 485智能电表,该系统可以广泛应用。无线ZigBee模块通过SPI接口接收来自微控制器系统的数据信号,将数据信号发送出去。

无线抄表数据收发终端在整个抄表系统中扮演的是路由和终端的角色,是一种全功能设备FFD(Full-Function Device)。该系统总体设计思路是:通过RS 485总线将电表数据收集,然后通过MCU电路处理,通过RS 232,SPI接口发送到ZigBee无线通信模块,最后利用无线通信模块发送到路由器节点或网络协调器。系统的总体结构如图1所示。

3 收发终端硬件设计

该终端系统主要包括:电表数据收集电路、无线发送电路和电源电路3部分。

(1) 电表数据收集电路主要是MCU控制电路,处理RS 485发送过来的数据。主要有MCU芯片,RS 485控制芯片、光耦隔离器、时钟电路、稳压电路等构成。

(2) 无线发送电路主要是通过SPI接口接收MCU的处理数据,通过RF射频天线发送。

(3) 电源电路主要是完成将交流220 V电压转化成直流电压,再通过稳压等完成对系统的供电。主要由小型变压器、热敏电阻、压敏电阻器、稳压芯片等构成。

系统主要器件选型:

MCU:选用Ateml公司的ATmega64L芯片,是一款基于支持实时仿真的高性能、低功耗的8位RISC结构的AVR微控制器。带有64 KB系统内可编程FLASH,4 KB的片内SRAM,64 KB可选外部存储空间,32个通用寄存器,实时计数器(RTC),4个具有比较模式与PWM的灵活定时器/计数器(T/C),2个USART,面向字节的两线串行接口,8路10位具有可选查分输入级可编程增益的ADC,看门狗定时器,一个SPI接口,JTAG接口,以及6个可以通过软件进行选择的省电模式,满足无线抄表系统中对可靠性和功耗的要求。

ZigBee芯片:选用TI公司的CC2430 RF,其是一颗真正的系统芯片,提倡CMOS解决方案,这种解决方案能够提高性能并能满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM免费波段的应用,同时满足低成本,低功耗的要求。它结合一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器,收发波特率250 Kb/s。CC2430在接收和发射模式下,电流损耗分别为27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合无线抄表这种要求电池寿命比较长的应用。接收数据时,当CC2430全部收到帧开始定界符SFD后,IRQ_SFD(中断标志位寄存器)置1;当RXFIFO中有数据时,RFSTATUS.FIFO置1,数据为空时,置0;当RXFIFO中未读过的字节超过编程设置在IOCFG0.FIFOP_THRRF_P的阈值时,RFSTATUS.FIFOP置1,反之,置0。 RF_N两个引脚显示接收和发送数据状态,RF_P引脚:接收时,正RF(射频)输入信号到LNA(低噪声放大器);发送时,接收来自PA(功率放大器)的正RF(射频)信号。RF_N引脚:接收时,负RF(射频)输入信号到LNA(低噪声放大器);发送时,接收来自PA(功率放大器)的负RF(射频)信号。CC2430通过SPI接口接收ATmega64L的时钟信号和片选信号,由内部集成的8051核完成数据信号的处理和输入/输出操作,从而完成电表数据的传输。

片外FLASH:用来存储电表数据,选用金士顿1 GB SD卡,由于电源电路的输出电压为5 V,而SD卡需3.3 V供电,所以要将电压转换,用SE8117T33输出3.3 V电压,接到SD卡VDD引脚上。

时钟芯片:选用Philips公司的实时时钟芯片PCF8563T,是一种低功耗CMOS时钟芯片,提供一个可编程输出、终端输出和掉电检测器,所有地址和数据都通过I2C总线接口串行传输,得到最大的总线传输速度。

光电耦合器:选用本系统选用3个PC817光电耦合器,用来隔离上下级电路,减小电路干扰,简化电路设计。PC817是一种单通道线性光耦,能够传输连续变化的模拟电压和电流信号。

稳压芯片:选用L7805CV,是电源电路设计中常用的性能很好的稳压芯片。该设计中MCU控制电路和电源电路都用到稳压芯片,是电路能得到稳定的5 V电压。电源电路原理图如图2所示。

图2中R1电阻选用MYG 10K471压敏电阻器,主要做保护电路器件。

4 软件设计流程

该系统软件主要是MCU控制电路的初始化程序设计,ZigBee无线模块的初始化、接收和发送程序设计,初始化程序主要是对单片机、RF芯片、SPI等进行初始化;SPI初始化程序如下:

MCU系统所采集电表数据将通过单片机RS232接口、SPI接口送至射频发送模块,然后输出。路由设备或协调器设备接收数据并处理。收发终端软件总体设计流程如图3所示。

ZigBee无线节点软件流程如图4所示。

5 结 语

本文采用MCU和RF射频模块设计出在ZigBee无线抄表中的电表数据采集发送终端系统,安装方便,抗干扰能力强,具有很强的实用性,可作为一个整体功能模块应用于其他无线数据传输系统中,如家用水表,智能家居等方面,在试验使用过程中抄表数据可靠,无丢数据现象,现在的无线数据传输系统都有一定的距离要求,在此模块上加上RF放大模块,可增大传输距离,但效果不明显,利用无线路由器和定向增益天线可解决这一问题,可完全满足局域距离要求,且可作为集成模块应用到其他无线传输系统中,通用性和可移植性增强。

参考文献

[1]沈晓昱,李文军,孙斌.基于ZigBee的工业仪表无线数据采集系统的设计[J].工业控制计算机,2009,20(11):1-5.

[2]陈湘平,房莉.基于ZigBee的数据采集系统设计[J].微计算机信息,2009,25(10):99-101.

[3]张兵,林建辉.基于ZigBee技术无线传输网络的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2009(2):49-52.

[4]戈沛琦,鞠建波.RS 485总线通信可靠性的分析与研究[J].海军航空工程学院学报,2009,24(6):692-694.

[5]SmartRF.CC2430 Preminary(rev.1.01)[M].[S.l.]:Sm-artRF,2005.

[6]李文仲,段朝玉.ZigBee 2006无线网络与无线定位实战[M].北京.北京航空航天大学出版社,2008.

[7]金纯.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[8]张仲麟.ZigBee技术在电子无线抄表中的应用[J].电子元器件应用,2009,11(4):34-36.

[9]刘丹娟,梁光胜,郝福珍.基于无线抄表系统的ZigBee网络节点的设计[J].中国电力教育,2009(Z1):471-473.

Zigbee数据中心 篇4

ZigBee技术是组建WSN(Wireless Sensor Network)无线传感器网络的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率和低成本的双向无线通信技术,主要适用于自动控制和远程监控领域。因为温室范围一般有限,属小范围短距离的组网,温室环境数据(空气温度、空气相对湿度、光照度、土壤水分含量等)都变化较缓慢,数据采集实时性要求不高,采样周期可以较长,且数据量很小,正好符合了ZigBee技术低功耗和低数据传输率的特点。

1 Zigbee温室监控存在的问题

Zigbee无线传感器节点在每个工作周期中,相应的传感器读取环境参数值,并且将读取的数据经过滤波处理后发送给中央控制器,随后无线传感器节点进入休眠状态,以减少节点的能耗。为了尽量节省节点电源的消耗,一个工作周期一般要持续数分钟甚至数十分钟,采样周期的加大使得环境参数反馈出现长时间的离散和延迟。在一般bang-bang控制的温室系统中,温度本来就在上限和下限之间来回波动,WSN无线传感反馈数据短时的延迟滞后对控制效果影响并不明显。然而,在环境参数变化比较缓慢的热水管道加温的大惯性连续型温室控制系统中,几分钟的延迟也会造成温室内温度较大的波动。

WSN无线传感模块理论待机电流低于1μA,但实际WSN模块发射数据信号时,工作电流可达150mA左右。同时,为了采集温室环境信息(如空气温度和湿度、光照度、土壤水分等参数),无线传感器节点配置了空气温湿度传感器、光照传感器和土壤水分传感器,加上模块板载传感器电源管理不佳,实际睡眠电流也有近20mA。即使节点模块一直处于睡眠状态,两节AA电池(800mAh)也只能连续工作两天左右。实验室调试过程中,Jennic 5121 Zigbee开发板的电流消耗情况如表1所示。

在无线传感器网络中,由于网络规模大,节点数量多,无线传感器网络的电源供应问题成为制约无线传感器网络大量应用的瓶颈[4]。许多研究通过采用低能耗的网络协议来降低系统的能耗,采用MAC低占空比的工作机制和能量可计算的路由机制;另一些研究通过制定拓扑控制运算法则来降低节点能耗。Zigbee的无线收发芯片功耗也在不断降低,但各种检测传感器的耗能不可忽视,始终制约着Zigbee监控系统的大量推广应用。受制于这一瓶颈带来的Zigbee参数反馈离散和延迟问题,国内外都还未有WSN成功商用于温室监控系统的报道。

2 离散采样值预测插值方法

温室环境数据由于变化相对较慢,数据全部为正,若干次采样数据累加后,生成数列具有较强的规律性,而且WSN采样数据采样周期较为固定,使得灰色预测方法非常适合用来预测后续的实际采样数据。预测控制中,预测计算不是一次离线进行的,而是反复在线滚动递推进行的。实际温室控制对象由于各种干扰因素的存在和各种原因的测量延迟,造成反馈信号失真,甚至完全偏离实际值,这使得闭环控制系统工作并不稳定,建立有限时域上的滚动递推预测控制策略十分有效。

对等时距的Zigbee采样数据序列进行灰色递推预测时,在每一Zigbee采样时刻都可以得到一个瞬时灰色模型,由该模型可以计算出未来几个紧邻采样时刻的采样估计值。实验中,对实际温室几组典型状态下的温度数据进行灰色预测,按照方差比和小误差概率进行预测精度检验,结果表明:采用灰色预测方法得到的采样估计值精度较高,而且计算速度快。对离散的Zigbee采样数据进行递推预测,得到一组精度检验有效的预测数据序列,该序列仍是离散的阶梯型数据。利用前几次Zigbee采样真实值和紧邻的两次预测值,建立样条函数模型,通过样条插值计算得到样条函数,利用该函数可以连续求得当前采样点和下一采样点之间任意时刻的采样估计值,这些估计值之间的时间间隔不再是Zigbee采样周期,可以根据温室控制器的任务负荷情况任意选取。当通过样条函数计算估计值的频率足够高时,便可以得到连续光滑的反馈数据,从而克服了由于Zigbee采样周期较长带来的反馈数据离散和滞后的问题。温室温度预测插值反馈控制框图如图1所示。

3 样条插值

温室数据经过Zigbee WSN采样后为连续时间区间上的离散值,而且为了WSN长时间工作,采样时间间隔相当长,需要计算离散值之间各时间点的估计值。曲线拟合是获得离散点之间估计值的较好方法。

最小二乘回归的拟合方法能够得到体现数据整体趋势的曲线,但曲线不经过拟合数据点。因WSN得到的温室数据相对来说较为精确,若曲线不经过这些精确的采样点,必然造成较大的反馈信号误差。

插值拟合的方法可以保证采样点的精确性,一般包括直线插值、多项式插值和样条插值,直线插值数据曲线不平滑,精度差;多项式插值由于舍入误差和过度超越,有时也会导致错误;而样条插值采用多个低阶多项式分段对数据点进行拟合,各段的样条多项式函数连接平滑,3次逼近的样条函数的插值拟合效果就超过7次多项式。

3次样条是实际中最常用的样条,在每对相邻结点之间构造3次多项式,即

n个数据点有n-1段区间,需要4(n-1)个未知系数,样条通过所有数据点,所以x=xi时,Si(x)=ai=fi。对于结点i+1,则有

由各段插值函数端点处的一阶导数相等和二阶导数相等可以推得

令undefined,代入式(3)有

式(4)在i=2,3…,n-2处均成立,可得到一个n-1个未知系数c1,c2,…,cn-1的n-3阶三对角方程组,只要添加两边界条件,就可解出c。

自然样条取起始端点二阶导数为0,由式(1)得s1″(x1)=0=2c1+6d1(x1-x1),则c1=0,最后一个结点处sn-1″(xn)=0=2cn-1+6dn-1hn-1。定义cn=0=cn-1+3dn-1hn-1,将方程写成矩阵形式为

例如,取以下灰色预测的4个点数据作为3次样条插值拟合对象,因为数据点等时距,取xn={1,2,3,4},fn={14.584,15.519,16.714,17.858},则生成方程组为

undefined

将值代入,得

所以,4点之间的3段插值函数为

每次插值后都取第2段插值函数S2(x),因为取中间段可以保证每段插值预测曲线端点处的平滑性;若取尾段,由于3次自然样条插值在端点处的二阶导数为0,从而使得下次预测插值在4,5点之间的曲线与本次的3,4点间的曲线在第4点处连接不平滑。

图2中,T为WSN模块的信号采集周期,t为本周期开始至当前时刻所持续的时间,则当前时刻的预测插值采样值为undefined,中间段函数x的取值范围为2～3。

若T=5min,t=2min,则当前时刻的插值计算值为undefined

4 预测插值控制效果

若WSN温室监控系统每5min采样一次数据,数据不经预测插值处理直接作0阶保持送入温度控制器。在温室温度从14℃加温加到24℃的过程中,由于实验温室面积较小,最大5min的采样延时使得反馈数据最大误差达到4℃,波动幅度超过6℃,温室温度在24℃附近出现反复震荡。在得到下一个采样数据之前,前一次采样的温度已经大大偏离了实际值,这样使得热水管道调节阀每5min才动作调整一次,控制效果如图3所示。图3中,阶梯曲线为Zigbee温度传感模块所测得的实际温度,5min采集一个数据;另一曲线为温室计算机监控系统每5s为周期监测到的温度曲线。

经过灰色预测插值处理后,温度反馈数据基本复现真实值,但由于采样点较少,灰色预测精度并不高。在2h内,预测值出现3次不合格,分别发生在第30,35,45min时,都在紧邻实测温度曲线顶点处(即由上升转向下降或由下降转向上升的波动过程中)。在预测不合格的点处,用上一采样值代替预测值,并做插值运算,得到连续反馈估计值,估计值与真实值最大误差为1.7℃,温室温度波动大为改善,如图4所示。

若将Zigbee采样周期缩短为2min,灰色预测能取得非常好的精度,预测值全部合格,只在波动的极点处出现0.5℃左右的预测偏差。预测插值后的估计温度曲线几乎完全复现实际曲线,温度变化平稳,几乎和连续采样控制效果相当,如图5所示。

5 结束语

在基于Zigbee的温室监控系统中,该方法能取得很好的控制效果,解决了Zigbee监控系统阶梯型反馈数据带来的离散和滞后问题,从而减小了温室温度的反复波动,提高了温室温度控制的稳定性。在Zigbee监控的温室中,空气湿度、土壤湿度和CO2含量等参数的控制同样可以用此方法,这将有效节省无线传感节点的电池电力,提高温室参数控制的稳定性,降低温室能耗。

参考文献

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Zigbee数据中心 篇5

德州仪器推出了一系列系统级芯片。 其中CC2530是一款兼容IEEE 802. 15. 4的片上系统,集成了增强型8051内核,结合TI Z - STACK协议栈可方便地组建自己的无线通信网络［1 － 4］。系统通过构建Zig- Bee树状网络测量同一时刻,同一地点,不同高度条件下的大气压参数,其系统总结构如图1所示。

1 Zig Bee协议栈体系结构及分析

Zig Bee协议结构是建立在IEEE 802. 15. 4标准基础上的［2］。IEEE 802. 15. 4标准定义了Zig Bee的物理层( PHY) 和媒体访问控制层( MAC) ; Zig Bee联盟则定义了Zig Bee协议的网络层( NWK)［3］、应用层( APL) 和安全服务规范。图2所示为Zig Bee协议栈的结构图。

2 BMP085结构及软件设计

CC2530是一个片上系统解决方案。CC2530芯片的RF性能佳、闪存容量大、封装尺寸小、协议支持也多样。在该芯片基础上设计的剖面大气压参数采集节点,在室外的最高传输距离可达300 m。

BMP085包含电阻式压力传感器、A / D转换器和控制单元。控制单元包括E2PROM和I2C接口。 E2PROM存储了176位单独的标准数据,这些数据主要用于温度补偿等。

BMP085数据传输采用I2C总线技术,有4种测量模式,分别为极低功耗模式、标准模式、高分辨率模式、 超高分辨率模式。气压输出字长为19位,温度输出字长为15位。

实验中利用BMP085气压传感器通过I/O口模拟I2C总线协议进行气压参数测量获取,在利用I2C总线与BMP085进行数据通信时,首先由主机发送启动信号( SCL在高电平期间SDA出现下降沿) 来启动I2C总线。接着向BMP085发送命令,具体包括:

( 1) 发送寻址信号。在主机发送完启动信号后即需要发送寻址信号。寻址信号的结构是: 设备地址( 高7位) + 方向位( 最低位) 。方向位为0则表明接下来主机对从器件进行写操作; 方向位为1则表明接下来主机对从器件进行读操作,寻址字节的定义如图3所示。发送命令时寻址信号为从器件地址+ 0,读取数据时寻址信号为从器件地址+ 1。

( 2) 发送寄存器地址。

( 3) 发送需写入寄存器的值。从BMP085读取数据,当数据读取完毕后,主机发送停止信号( SCL在高电平期间SDA出现上升沿) 来停止I2C总线。具体包括: 1) 发送寻址信号( 从器件地址+ 0) 。2) 发送寄存器地址。3) 重新开始数据传输。4) 发送寻址信号( 从器件地址+ 1) 。5) 取测量值高低各8位。

在模拟I2C总线传输过程中需要注意以下几点问题: ( 1) I2C总线协议规定,总线上每传送一个字节数据之后,接收设备均需产生一个应答信号( 在SCL信号为高电平期间SDA拉低为低电平) 以确认收到数据。( 2) 数据传输要在主机向从器件发送寻址信号并得到从器件应答之后,数据传输时每次一个字节,每次传输都应在得到应答信号后再进行下一字节的传输。 ( 3) 当主机为接收设备时,不应答最后一个Byte,以向发送设备表示数据传送结束。

气压参数采集节点上BMP085的工作流程如图4所示。

终端节点和路由节点大气压采集流程为: 终端节点和路由节点接收到来自协调器节点的采集指令后, 将BMP085传感器定期采集的大气压数据进行预处理［9］,然后通过无线网络与协调器节点进行通讯。

软件设计主要分为终端节点软件、路由节点软件及协调器节点软件设计［4 － 5］。协调器节点上电后,会按照编译时给定的参数,选择合适的信道、合适的网络号,建立Zig Bee无线网络。终端节点和路由节点上电后,会进行硬件电路初始化,然后搜索是否有Zig Bee无线网络［10］,若有Zig Bee无线网络时,终端节点和路由节点申请加入网络,协调器节点准许加入并分配一个16位的网络短地址,等待采集的大气压数据命令,然后将接收的所有数据包通过串口通信发送到PC机上,以便更容易地进行气压数据分析和数据存储［11］。协调器节点、路由节点和终端节点工作流程如图5所示。

3实验结果及分析

搭建好硬件环境后,在本系统中,终端节点每隔1 min采集一次气压数据并通过路由节点转发给协调器节点,而路由节点每隔1 min采集到的气压数据直接发送给协调器节点,协调器节点再通过RS232串口总线将数据发送到PC机上,串口设置为COM1,波特率设置为115 200 bit·s－ 1。在实验过程中每个模块均采集了大量数据,同时用Vaisala公司的WXT520移动气象仪来对比本系统测得的气压数据。其中同一地点某个节点和气象仪从时间段10: 00 ~ 10: 19每隔1 min测得的气压数据对比图如图6所示。通过气压绝对误差曲线图7可发现,气压传感器BMP085的测量值与移动气象站测得的气压误差在- 0. 1 ~ + 0. 1 h Pa之间,符合实验测量误差值范围。

从以上测试结果对比曲线可得出,系统大气压参数采集节点的稳定性较好; 从绝对误差曲线可看出,本系统大气压参数采集节点的测量误差范围较小,系统的精度也达到了一定要求。

4结束语

本文主要介绍了基于Zig Bee网络的剖面大气压测量系统的结构及相关软件流程,使用该系统进行实地测量,并与移动气象仪测得的数据进行对比。结果证明该方案构建合理,能够同时测量多点气压参数,具有测量精度较高且功耗较低的优点,可将其在便携式气象数据采集领域进行推广。

摘要：针对目前大气剖面气象参数同测实时性问题,设计实现了基于ZigBee技术的剖面多点大气压参数采集系统。从应用方面着手对ZigBee技术的网络拓扑结构进行研究。在Z-STACK协议栈下,以CC2530芯片为核心构建了一个由若干气象参数采集节点组成的树状无线传感网络。各终端节点和路由节点将气压传感器BMP085采集到的气压参数通过网络汇聚到协调器,在PC上对采集到的数据进行相关处理。结果表明,系统采集节点获取数据精度高,误差小,具有应用推广价值。

Zigbee数据中心 篇6

电力传输线路的故障经常会影响到电力的传送,而电力线的故障问题主要是通过电流来体现,通过采集电力线上的电流信号来监测电力线上的用电负荷,可检测出电力线上出现的故障。高压大电流的现场环境一般不允许布置过多的电缆,并且此环境只适合采用电池供电,由于更换电池的不便性,这就要求数据采集节点具备非常低的功耗,针对这些要求,本文提出一种基于ZigBee的电力线数据采集系统。该系统具有功耗低、不需布线、安装调试方便和使用寿命长等优点。

2 系统整体结构

图1所示为ZigBee技术的电力线数据采集系统框图。整个系统由前端信息采集节点和手持设备组成星型通信网络结构。其中前端信息采集节点是一个集成了ZigBee模块在内的数据采集节点,在ZigBee网络内相当于一个RFD(简化功能设备)节点;而手持设备则相当于一个FFD(全功能设备)节点。FFD节点是具有路由与中继功能的网络节点,可以与RFD节点通信,也可以与别的FFD节点通信;它还可作为协调器使用,负责组建网络和信息路由;RFD节点是网络终端节点,相互之间不能直接通信,只能通过FFD节点发送和接收信息,不具有路由和中继功能。本系统使用星型网络实现通信,网络配置一个协调器和多个终端节点,其中手持设备起协调器作用,前端数据采集节点即为终端节点设备。

2.1 系统的硬件设计

2.1.1 前端信息采集节点

如图3所示,前端数据采集节点由以下几部分组成:电流互感器、信号调理电路、无线射频通信模块、电源模块和晶振。前端数据采集节点通过电流互感器采集电流模拟信号,信号调理电路对采集的信号进行调理,通过射频芯片CC2430自带的A/D转换器,将采集的模拟信号转换成数字信号,当收到手持设备的发送请求时,无线射频通信模块便将数据分组发送出去。

2.1.2 手持设备

如图4所示,手持设备由以下几部分组成:无线射频通信模块、MCU、LCD显示模块、键盘、DC/DC模块、电源模块、串口通信模块和存储器。手持设备的射频芯片CC2430将接收到的信号解包,然后将信号传给处理器进行处理,将结果显示在LCD上,同时将接收的信号存储在存储器SD里,以做进一步的分析处理。

2.2 主要接口电路的设计

前端信息采集节点原理图如图5所示,无线射频通信模块采用的是自带Zig Bee/IEEE 802.15.4协议的CC2430通信模块。CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和位控制器。它内置1个8位MCU(8051),具有128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含1个14位模数转换器(ADC)、4个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watch dog timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power on reset)、掉电检测电路(Brown out detecting),以及21个可编程I/O引脚。

采集的高压线上的电流信号由电流互感器转换成0~5A的交流电流,然后通过真有效值转换器AD637将交流信号转换成直流信号,输入到CC2430的P0.7脚,由CC2430自带的ADC将模拟电流信号转换成数字电压信号,再交由CC2430里的射频端将采集的数据进行分组发射出去。

手持设备中MCU采用的是MSP430F149单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,能够在低电压下以超低功耗状态工作;MSP430F149是MSP430系列中功能最强的单片机,其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设,片内有3个基础时钟模块,包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器,灵活的时钟选择使得系统可以在最合理的时钟下进行工作,大大降低了系统的功耗,方便了系统的设计。MSP430F149采用16位RISC结构,其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度(8MHz晶体驱动,指令周期为125ns)、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。MSP430还有着丰富的外围接口,包括标准串口,SPI接口,方便连接多种设备。

手持设备中无线射频通信模块与MSP430单片机采用了SPI接口模式通信,如图5所示,MSP430单片机作为主设备,无线射频芯片CC2430作为从设备,CC2430的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7脚分别与MSP430单片机的P3.0、P3.3、P3.1、P3.2脚相连接,所有操作均通过SPI接口进行。手持设备工作在2.4GHz的频率上,数据速率为250kbit/s,采用自动拆包功能进行数据的接收,节省了单片机的操作。

MSP430与存储器SD卡也是采用SPI接口连接的,如图6所示,MSP430单片机作为主设备,SD卡作为从设备,SD卡的第1、2、5、7脚与单片机MSP430的P5.0、P5.1、P5.3、P5.2脚相连接,除了SPI接口的连接外,还有一根控制线P4.7,用于检测SD卡当前是否设置写保护,写保护时该引脚为高电平,否则为低电平。

2.3 系统的软件设计

系统MCU软件利用Keil集成开发环境进行开发。射频芯片CC2430使用IAR Embedded Woedbench for MCS-51开发环境。程序均采用C语言编写。软件流程图如图7和图8所示。手持设备要采集电力线上的电流信号,必须要知道每个传感器节点的网络地址,这就需要每个前端信息采集节点在加入网络后把网络地址发送给手持设备,手持设备收到前端信息采集节点的网络地址后建立地址表存储起来,以便要求采集数据时依据地址表来采集每个前端信息采集节点的数据。

2.3.1 手持设备软件设计

当手持设备收到信息时,根据数据的第一个标志字符来判断是前端数据采集节点的网络地址还是节点采集的数据。若是网络地址,则把网络地址存储在地址表里;若是节点采集的数据信息,则需通过标识符进一步判断。

2.3.2 前端数据采集节点软件设计

前端数据采集节点上电后将扫描信道,加入网络,加入网络后将网络地址发给协调器(手持设备)。节点工作时将周期的轮询手持设备,看是否有采集数据的请求信号。若有,则采集数据并发送给手持设备,否则继续侦听信道。

2.4 系统调试

通过现场测试,该系统分别在35kV和10kV架空线上(高度12~15m),通过手持机,成功读取并显示500A以下的三相线路电流,通过对三相线路的地址编码,进行偏相故障显示,以及断路、短路过流故障显示。

3 结束语

本文设计的Zig Bee无线通信节点具有低功耗、低传输速率等特点,实现了星型拓扑的组网,有效通信范围内能成功的对绑定对象进行控制。整体网络可以长时间连续稳定工作,并且具有良好的自组织、自愈功能,经过适当改进也可作其他用途的手持终端。

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Zigbee数据中心 篇7

随着制约以太网进入工业控制网络的确定性、稳定性和可靠性等一系列难题的解决, 使得工业以太网逐渐成为当前工业控制网络发展的首选[1]。但基于TCP/IP协议的工业以太网在组网时仍需要布线, 而且在工业现场, 布线在某些场合下可能会受到限制。为了解决工业环境及过程控制环境下的移动对象、高速旋转对象和危险环境对象的监测与控制, 可以运用无线通信技术来完成现场数据的采集、传输和对现场设备的控制。ZigBee技术以其低功耗、低成本、架构简单、体积小等特点, 正好满足工业现场的这一需求。将ZigBee无线通信技术应用于工业控制系统, 工业控制网络就将在现场总线体系结构的基础上兼有无线通信的优点。

2 ZigBee技术

2.1 ZigBee概述

ZigBee是以IEEE802.15.4无线标准为基础开发的无线传感器网络协议, 是第一种用于传感器与制动器等监测和控制应用的开放无线标准。传输距离可以从标准的75 m扩展至几百米, 甚至上千米。其特点是:近距离、低功耗、低成本、高可靠性、网络容量大、组网灵活、时延短, 而且提供数据完整性检查、鉴权功能和AES-128加密算法[2]。能够实现对短距离、特殊场合下的参数采集和传输, 在工业控制等领域中具有独特的优势。

2.2 ZigBee无线传感器网络

无线传感器网络 (WSN, Wireless Sensor Networks) 技术是传感器技术、无线通信技术、计算机技术和信息处理技术等的交叉融合, 是当前国际学术界和产业界共同关注的前沿研究热点[3]。无线传感器网络由许多功能相同或不同的传感器节点组成, 每个传感器节点由数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和电源模块组成[4], 节点在网络中负责完成数据的采集、数据收发和数据转发[5]。在ZigBee无线传感器网络中, 节点分三种类型:主节点、路由节点以及终端节点。主节点即协调器, 是网络的核心。ZigBee协议规定[6]:只有当前还没有加入网络且具有ZigBee协调器功能的设备才可以建立新的网络。因此, 主节点的功能主要是建立一个网络并下发地址。路由节点是网络中的无线收发器, 负责邻近节点数据的转发和维护网内路径。终端节点是网络中最底层的节点, 负责传感器输出信息的采集、转换和发送。相应地, ZigBee无线传感器网络支持三种设备类型:协调器 (ZC, ZigBee Coordinator) 、路由器 (ZR, ZigBee Router) 和终端设备 (ZED, ZigBee End Device) , 其中, 终端设备属于精简功能设备 (RFD, Reduced Function Device, RFD) , 协调器和路由器属于全功能设备 (FFD, Full Function Device, FFD) 。RFD只是一个简单的ZigBee协议节点, 仅可与FFD通信, 实现ZigBee协议提供服务的最小部分。与RFD相比, FFD在硬件功能上比较完备, 在通信能力方面, FFD可以与所有其他的FFD或RFD通信, 而RFD只能和与其关联的FFD进行通信。

ZigBee的网络拓扑结构有星型、簇树型和网状网络三种。星型网络是一个辐射状系统, 数据和通信命令都通过中心节点传输。簇树型网络是由协调器组织的多个星型网, 扩大了网络的覆盖范围, 终端节点可接入协调器节点, 也可接入具有路由功能的FFD节点, 但具有路由功能的FFD节点相互之间不能直接通信, 只能通过协调器节点完成相互间的通信。网状网络是一种高可靠性的Ad Hoc网络, 与簇树型网络不同的是具有路由功能的FFD节点相互间可以直接互通信息, 故网状网络通过自组织和无线路由功能可提供多个数据通信路径。当最优的通信路径发生故障时, 网状网络会在冗余的其他路径中选择最合适的路径供数据通信, 因此, 网状网络能够有效减小信息传输的时延并提高网络通信的可靠性。但另一方面, 网络中节点必须一直处于“监听”状态, 以有效地传递数据, 这增加了网络的能量损耗, 减小了网络寿命。

3 数据采集传输系统模型

3.1 系统拓扑结构

ZigBee无线终端接入工业控制网络拓扑结构如图1所示。工业控制网络系统包括过程监控L2网段和现场设备L1网段。现场设备层网段负责工业生产现场的各种现场设备之间以及现场设备与L2网段的连接;过程监控网段主要负责控制室仪表、装置以及人机接口之间的连接。工业控制网络的物理层与数据链路层采用IEEE 802标准, 可与以太网设备互联, 实现数据从现场级到管理、监控级的传输。基于ZigBee的无线终端设备位于现场设备层网段, 主要实现对工业现场数据的无线采集和传输。因此, 将ZigBee无线通信技术引入工控网, 实现ZigBee无线网络优势与实时以太网的结合, 可更好地满足多种工业现场的需求。

3.2 ZigBee接入工控网协议模型

系统主要针对工控网中的局部设备进行监控, 故采用的是星形网络结构, 接入模式采用点对多点的主从接入方式, 即无线网关 (FFD) 设为主控节点, 其余终端设备 (RFD) 设为从机节点, 所有ZigBee无线终端设备与ZigBee无线网关连接, 由ZigBee无线网关负责建网、通信管理和与有线网络连接。

由于ZigBee协议中2.4 GHz频段物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时 (或低作业周期) , 且工控网中的信息多为短帧结构数据, 通信频繁, 为了增强通信的实时性, 结合实际应用的监控系统特点, 决定选用2.4 GHz工业科学医疗 (ISM) 频段进行通信, 并设计出ZigBee无线终端设备接入工业控制网络的协议模型, 如图2所示, 图中带箭头的虚线表示信息的流动方向。

(1) 物理层:

IEEE802.15.4定义了2.4 GHz和868/915 MHz两个物理层, 它们基于直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) 数据包格式, 两者的区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。868/915 MHz频段物理层的无线信号传播损耗较小, 可降低对接收机灵敏度的要求。它的低速率换取了较好的灵敏度, 从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数, 可用较少的设备覆盖较大的区域。

(2) MAC层:

IEEE 802.15.4 MAC层提供两种服务——MAC层数据服务和MAC层管理服务。管理服务通过MAC层管理实体服务接入点访问高层。MAC层数据服务使MAC层协议数据单元的收发可以通过物理层数据服务。IEEE 802.15.4MAC层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。

(3) LLC层:

该层在IEEE802.6标准中定义为802标准系列所共用。主要功能是进行数据包的分段与重组以及确保数据包按顺序传输。通过SSCS (Service-specific Convergence Sub-layer) 业务相关会聚子层协议承载IEEE802.2类型的LLC标准, 且允许其它LLC标准直接使用IEEE802.15.4MAC层的服务。

(4) NWK网络层:

进行ZigBee网络路由处理, 并对网络地址与MAC地址进行转换。ZigBee网络层主要考虑采用基于Ad Hoc技术的网络协议[5], 包含通用的网络层功能 (拓扑结构的搭建和维护, 命名和关联业务, 包含寻址、路由和安全) , 非常省电, 而且有自组织、自维护功能, 可以最大程度地减少开支和维护成本。

(5) 应用层主要有三个部分:

与网络层连接的应用子层支持APS (Application Sub-layer Support) 、ZigBee设备对象ZDO (ZigBee Device Object) 以及设备应用Profile。

4 系统的硬件实现

4.1 终端节点硬件实现

终端节点主要包括传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块四个模块, 主要负责监测区域内数据的采集、处理和传输, 其结构如图3所示。终端节点采用AT89C51作为微控制器, 无线通信模块选用基于ZigBee技术的CC2420芯片, 它是符合IEEE802.15.4规范的2.4 GHz射频收发器, 基于Chipcon公司的SmartRF03技术, 以0.18 μm CMOS工艺制成, 性能稳定且功耗极低[7,8]。CC2420有四个SPI接口:CSn、SI、SO、SCLK, AT89C51通过它们对CC2420进行写入、读取操作, 也可以收发数据, CC2420与AT89C51之间的接口电路如图4所示, 图中SHT10为实际应用系统选用的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器, 具有尺寸小、低能耗、响应快、抗干扰能力强、性价比高等特点。

4.2 ZigBee无线网关硬件实现

ZigBee无线网关硬件实现采用中心控制方案, 与传感器节点相比, 网关节点要求较强的处理能力和运行速度。因此, 在设计中选择具有丰富片上资源的SAMSUNG S3C2410A处理器, S3C2410A采用ARM920T内核, 0.18 μm工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元, 可工作在266 MHz, 配备了thumb 16bit压缩指令集, 可为嵌入式ICE硬件提供片上断点和调试点支持, 它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适于对成本和功耗敏感的应用。在S3C2410A外围配置基于CC2420的ZigBee无线通信模块、10 M以太网口、JTAG (Joint Test Action Group) 调试端口、闪存 (FLASH) 等构成ZigBee无线网关的硬件平台。以太网口选用Cirrus logic公司的CS8900A单芯片全双工以太网控制器, ZigBee无线网关的硬件结构如图5所示。

5 系统的软件实现

软件部分实现包括ZigBee无线终端节点和ZigBee无线网关的软件实现, ZigBee无线终端节点主要负责传感器数据的采集、处理和发送, ZigBee无线网关则负责接收节点送来的数据, 解析后封装成工业以太网的数据格式向监控中心传输。

5.1 ZigBee无线终端节点程序设计

系统上电, ZigBee无线终端节点先进行初始化, 然后监听默认信道, 进行网络搜索, 收到FFD节点发送的搜索命令, 则回应FFD节点, 并附上自己的随机码。成功入网后查询是否有网关发来的指令需要接收, 接收成功后开启中断, 中断响应后执行A/D转换, 转换结束后对数据按格式要求进行封装、发送, 发送完成后进入休眠状态等待唤醒。其工作流程如图6所示。

5.2 ZigBee无线网关软件实现

ZigBee无线网关的软件设计采用嵌入式Linux操作系统完成定制开发。系统应用部分设计主要包括初始化模块、ZigBee无线终端管理、数据包处理模块, 通过对微控制器的编程, 控制以太网口与有线网络进行数据通信。网关节点上电后, 先对注册信息列表进行检查, 若发现有未使用的ID号, 则发送搜索命令, 如果接收到无线终端回应, 则为其分配这个ID号, 然后切换到工作信道, 等待无线终端的应答包, 若ID号匹配, 则表示分配成功, 网关节点将更新该ID的注册信息列表。如图7所示。

6 结 论

本文主要探讨了基于ZigBee的数据采集传输装置的设计实现方法。实际应用表明, 系统可靠地实现了被监测设备的温湿度数据采集和自组网功能。随着无线通信技术的不断发展和完善, 工业现场对无线通信技术的应用需求也将越来越强烈。无线通信技术的免于布线、组网灵活、维护简单、安全可靠等优点非常适合于工业控制现场的恶劣环境, 是对现有的有线网络的必要补充。随着微电子技术的深入发展, 集成无线模块的现场智能设备将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。

摘要：介绍ZigBee技术和无线数据采集传输系统的拓扑结构, 在深入分析ZigBee协议和工业控制网络结构的基础上, 结合实际应用环境的特点, 提出ZigBee无线终端设备接入工业控制网络的协议模型。采用基于Zig-Bee技术的CC2420芯片, 探讨ZigBee无线终端和ZigBee无线网关的设计实现方法。测试结果表明, 系统运行稳定、可靠。

关键词：ZigBee,工业控制网络,数据采集,协议模型,CC2420

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