基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

唐敏

摘要：該文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接應(yīng)用于課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)，本系統(tǒng)由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串中發(fā)送到PC機(jī)，然后進(jìn)行統(tǒng)一的分析和處理。該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）14-0042-03

Abstract： The article suggest a novel WSN data acquisition system based on Zigbee. The system is used in the teaching and experiment. The sensor nodes of the system can form the net topology architecture of star. Secondly， the information from sensor can be transmitted to PC via Zigbee and data acquisition module， and then doing analyze and deal with together. The system will be used in many fields in the future.

Key words： wireless sensor network （WSN）； Zigbee； data acquisition

1 ZigBee簡介

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于近距離無線連接，有自己的通信標(biāo)準(zhǔn)，能夠在若干個(gè)的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信。其應(yīng)用領(lǐng)域有：家庭和樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)生產(chǎn)過程控制；安防控制系統(tǒng)；智慧商業(yè)；智慧農(nóng)業(yè)；智慧醫(yī)療等。

ZigBee也是一種標(biāo)準(zhǔn)，它有自己的通信標(biāo)準(zhǔn)，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)使用的工作頻段有2.4GHz、868MHz、915MHz。在2.4GHz頻段共有16個(gè)信道，通信速率為250kbps；在915MHz頻段共有10個(gè)信道，通信速率為40kbps；在868MHz頻段有1個(gè)信道，通信速率為20kbps?，F(xiàn)在國內(nèi)主要使用2.4GHz的工作頻段。ZigBee有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。如下圖1所示，其中，全功能設(shè)備（FFD，F(xiàn)ull Function Device）和精簡功能設(shè)備（RFD，Reduced Function Device）。FFD可以當(dāng)作一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來組建與管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，也可以作為一個(gè)普通的終端節(jié)點(diǎn)和其他的設(shè)備通信，也就是充當(dāng)了路由節(jié)點(diǎn)的功能。但RFD設(shè)備只能作為終端節(jié)點(diǎn)，只能和FFD設(shè)備進(jìn)行通信，通過FFD設(shè)備將自己采集的數(shù)據(jù)傳送出去。

本文采用ZigBee技術(shù)來組建無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并使用VS2012的Winform開發(fā)了一個(gè)基于ZigBee的無線通信控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度、濕度氣體濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽f(xié)議器節(jié)點(diǎn)，協(xié)議器節(jié)點(diǎn)通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)，供上層進(jìn)行決策。

2 ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，然后周期性地采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。在具體編程設(shè)計(jì)過程中還要考慮到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中關(guān)于節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的，其中包含了數(shù)據(jù)包頭、尾以及所采集的傳感器數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不同來構(gòu)建自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)然較完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還應(yīng)包含校驗(yàn)信息。本系統(tǒng)的所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義見下文。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器采用基于ZigBee技術(shù)的CC2530芯片，CC2530集成了51單片機(jī)內(nèi)核，相比于其他的Zigbee芯片，CC2530應(yīng)用更廣泛。它是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。本系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)使用的是 IAR + Z-stack 2007 PRO。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR7.6 + Z-stack 2007 PRO+VS2012 ，采用的協(xié)議棧為TI公司的 Z-STACK。系統(tǒng)中的采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠙C(jī) PC 上，通過人機(jī)交互方式對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）內(nèi)不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)，以便上層應(yīng)用做出決策。

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后，通過RS232傳輸?shù)絇C機(jī)的上層應(yīng)用控制系統(tǒng)，根據(jù)前面數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)，我們?cè)趨f(xié)調(diào)器的頭文件中要定義數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。除了在協(xié)調(diào)器頭文件占定義數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其他的的還涉及到協(xié)調(diào)器的編程、路由器的編程、終端節(jié)點(diǎn)的編程以及傳感器的編程，由于篇幅有限在此就不在贅述。

2.4 系統(tǒng)上層應(yīng)用程序開發(fā)

系統(tǒng)開發(fā)板涉及到的編程準(zhǔn)備好后，下面我們便要進(jìn)行程序的調(diào)試與下載，并將下載到開發(fā)板上的程序運(yùn)行。準(zhǔn)備好開發(fā)板后，上層PC端我們是用VS2012的Winform開發(fā)的系統(tǒng)控制程序，通過串口與我們的開發(fā)板相連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從開發(fā)板到PC之間的連通。本系統(tǒng)開發(fā)的串口助手使用了兩種數(shù)據(jù)顯示方式，一種是普通顯示方式如圖3所示，另一種是HEX顯示方式如圖4所示。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)所構(gòu)建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采集溫度、濕度、電壓、電流、磁場等十余種傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理，在教學(xué)實(shí)訓(xùn)過程具有著很好的展示作用。本系統(tǒng)是筆者在ZigBee技術(shù)教學(xué)過程中，為高職學(xué)生設(shè)計(jì)的項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，同時(shí)還對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了拓展，增加了上層應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)，為不同層次的學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)途徑，教學(xué)效果良好。同時(shí)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路也可以直接運(yùn)用于其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，如安防、智能家居、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

圖4 HEX顯示數(shù)據(jù)方式

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