基于ZigBee 無線傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

丁儒昊，王康誼

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

引言

隨著科技和經(jīng)濟的高速發(fā)展，通信已經(jīng)遍及生活的方方面面，并且現(xiàn)在的移動通信方式不再受終端設(shè)備的限制，這種技術(shù)的進步給我們帶來了極大的便利[1]。在通信方式異常發(fā)達的今天，無線通信技術(shù)得到了更加快速的發(fā)展。

當(dāng)今社會，數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)需求量顯著增加，隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集已變得越來越廣泛，已經(jīng)被應(yīng)用于各行各業(yè)的各個方面[2]，大到航空航天、雷達測控、國防科技，小到人們生活，室內(nèi)環(huán)境的檢測、食品鮮度的監(jiān)測、交通流量的監(jiān)測等。進而基于數(shù)據(jù)采集而產(chǎn)生的產(chǎn)品層出不窮，遠程監(jiān)控系統(tǒng)[3]、溫室大棚數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計[4]、并聯(lián)機構(gòu)多傳感器采集系統(tǒng)[5]、基于藍牙的管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6]、基于5G的工業(yè)數(shù)據(jù)采集模式[7]、自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集[8]、實時數(shù)據(jù)處理平臺[9]、基于FPGA 的多通道數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計[10]等，當(dāng)前大部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均存在體積大、可移動性差、可擴展性差、過于受環(huán)境因素限制等缺陷，所以開發(fā)研制一款便攜、具有可移動性、功耗低、高擴展性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯得尤為重要[11-12]。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

該采集模塊采用Zigbee 協(xié)議作為傳輸方式，整體的功能由支持Zigbee 協(xié)議的CC2530 芯片控制完成，其具有外接傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸數(shù)據(jù)以及與其他節(jié)點組合成傳感器網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)同工作的功能。其主要的組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基本組成結(jié)構(gòu)示意圖

（1） 供電模塊。其為整個模塊電路進行供電，除顯示并保存的上位機外，要求采集系統(tǒng)的供電可以根據(jù)不同的環(huán)境采用不同的供電組態(tài)。

（2） 外接傳感器。其根據(jù)不同的環(huán)境選擇不同的傳感器種類進行數(shù)據(jù)的采集，將環(huán)境中的特定信息轉(zhuǎn)換為電壓或者電流信號。

（3） CC2530 主控芯片。負(fù)責(zé)采集節(jié)點的整體控制，包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及處理，并協(xié)調(diào)各個模塊、各個節(jié)點之間的相互協(xié)作。

（4） 通信采用Zigbee 無線通信方式，可以完成數(shù)據(jù)收發(fā)和命令發(fā)送功能，實現(xiàn)無線通信的是CC2530 芯片構(gòu)成的核心板；另外，設(shè)計還可通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸和程序燒錄等工作。

（5） 串口輸出。信號接收節(jié)點可以將接收到數(shù)據(jù)通過串口連接上位機后傳輸給上位機，從而進行進一步的數(shù)據(jù)處理和分析工作[13]。

2 模塊設(shè)計

通過分析該采集系統(tǒng)的功能和基本硬件組成，對其整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了如下的具體設(shè)計，其各模塊之間的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 各模塊結(jié)構(gòu)連接示意圖

2.1 CC2530 主控芯片

該系統(tǒng)的核心為CC2530ZigBee 射頻模塊電路該電路集成了ZigBee 射頻芯片CC2530-F256，內(nèi)嵌8051 處理器、8 路7-12 位分辨率ADC、2 個標(biāo)準(zhǔn)的USART 以及 5 路的 DMA 等功能， 支持ZigBee2007Ztack 協(xié)議棧。這使得CC2530 不僅是一個出色的ZigBee 芯片，也是一顆性價比高的8051 內(nèi)核MCU。本文中采用了兩個CC2530 模塊來進行點播通信，點播描述的就是網(wǎng)絡(luò)中2 個節(jié)點進行直接通信的方式。

本設(shè)計為減小設(shè)計板整體體積，將芯片控制部分單獨設(shè)計為一塊電路板作為整體采集系統(tǒng)的第二層。其電路原理設(shè)計見圖3。

圖3 主控芯片核心板原理

2.2 供電模塊

電源模塊至關(guān)重要，對整個設(shè)計分析，其中各個模塊所需的電壓有5 V 和3.3 V 兩種，傳感器所需供電電壓一般為3.3 V 和5 V。在該系統(tǒng)的設(shè)計中3.3 V 電源負(fù)載較小，故采用常見的AMS1117 用于將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 來為電路提供3.3 V 電源，相關(guān)引腳接口設(shè)計見圖4。綜合考慮冗余等因素，選用5v 適配器或者通過USB 接口為電路提供5 V 電壓。

圖4 3.3V 電源原理圖

2.3 串口通信

由于現(xiàn)在的電腦都省卻了串口，所以需要用USB轉(zhuǎn)串口芯片來實現(xiàn)功能[13]。該設(shè)計采用CH340G芯片，該款芯片電路簡單、使用方便、性價比高。相關(guān)引腳接口的原理設(shè)計見圖5。

圖5 串口芯片原理設(shè)計

2.4 傳感器IO 口

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為方便更換傳感器，所以沒有將傳感器直接設(shè)計在設(shè)計板上，但是為各種傳感器預(yù)留了各種類型的引腳接口，可直接用于連接現(xiàn)成的已經(jīng)封裝好的傳感器模塊。其預(yù)留的引腳接口見圖6。

圖6 傳感器接口

2.5 顯示模塊

本研究設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為顯示屏預(yù)留了引腳接口，可外接一個4 引腳的0.96 寸OLED顯示屏，可用于實時顯示采集到的傳感器數(shù)據(jù)，其原理設(shè)計見圖7。

圖7 外接顯示屏

2.6 指示燈模塊

本設(shè)計為更加直觀的監(jiān)測各部分的工作狀態(tài)，對各個模塊添加正常工作指示燈，指示燈亮，則工作正常，其指示燈原理設(shè)計見圖8。

圖8 各模塊正常工作指示燈

3 應(yīng)用

本設(shè)計通過結(jié)合模式識別算法完成了對鴨梨揮發(fā)氣味信息的采集以及鴨梨的品質(zhì)分類，通過兩個ZigBee 節(jié)點進行協(xié)調(diào)工作，一個連接傳感器后作為采集節(jié)點，另一個作為數(shù)據(jù)接收節(jié)點，連接上位機將采集且進行初步處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行進一步的分析及應(yīng)用。

3.1 檢測理論

3.1.1 傳感器陣列

本次應(yīng)用目的在于鴨梨的品質(zhì)檢測，通過閱讀文獻，根據(jù)鴨梨的氣味信息特征，選用了乙醇、乙烯兩種傳感器組成傳感器陣列，對應(yīng)的型號分別為MQ3、ME3-C2H4，其指標(biāo)見表1。經(jīng)過實驗驗證，該三種傳感器組合，可以有效改善了傳感器的交叉敏感性，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表1 傳感器陣列組成

3.1.2 模式識別算法

本研究采用基于粒子群算法（PSO）優(yōu)化的支持向量機（SVM）來進行檢測鴨梨的品質(zhì)。

（1） 粒子群算法。粒子群算法是20 世紀(jì)90 年代由美國學(xué)者Kennedy 與Eberhartt 提出的，通過模擬鳥群的運動過程行為，不停的進行迭代搜索，獲得個體之間的信息共享和全局最優(yōu)解，其優(yōu)點在于操作簡單，計算速度快。

（2） 支持向量機。支持向量機（SVM）是一種具有稀疏性和穩(wěn)健性的機器學(xué)習(xí)算法，適合處理蘋果貨架期預(yù)測這類高維度非線性問題。但是支持向量機參數(shù)計算速度慢、全局尋優(yōu)能力較差，迭代次數(shù)多，為改善這些問題，采用粒子群算法對其進行優(yōu)化，彌補了其速度慢、迭代次數(shù)多等問題。其優(yōu)化后的SVM流程見圖9。

圖9 PSO 優(yōu)化SVM 流程

3.2 實驗過程及結(jié)果

對不同品質(zhì)的100 鴨梨樣本進行室內(nèi)條件下、1L密閉空間內(nèi)的檢測，記錄每個鴨梨樣本的兩個傳感器響應(yīng)值，其檢測到的氣體變化在經(jīng)過采集系統(tǒng)的濾波、放大處理后見圖10 和圖11。

圖10 乙烯濾波

圖11 乙醇濾波

本實驗測量的氣體種類有乙醇、乙烯，針對兩種氣體，取每種氣體濃度的穩(wěn)定值、最大值和平均值作為樣本信息，對應(yīng)鴨梨樣本的6 個特征值，我們利用這6 個特征值作為輸入和鴨梨的品質(zhì)作為輸出，建立關(guān)于鴨梨品質(zhì)的分類系統(tǒng)。其中，鴨梨的品質(zhì)分為三類：新鮮、不新鮮、腐爛。將這三種不同的品質(zhì)分別用矩陣進行表示為[1 0 0]、[0 1 0]、[0 0 1]。

將100 個鴨梨樣本分組，其中80 個作為訓(xùn)練集用于訓(xùn)練模型，另外20 個用于驗證模型。經(jīng)過模式識別算法的訓(xùn)練后，得出的部分分類結(jié)果見表2。

表2 鴨梨品質(zhì)部分分類結(jié)果

根據(jù)該系統(tǒng)采集的鴨梨氣味信息進行品質(zhì)分類識別，訓(xùn)練集中，準(zhǔn)確率高達80%，測試集中品質(zhì)分類準(zhǔn)確率為75%，有結(jié)果可以看出，根據(jù)氣味信息對鴨梨進行品質(zhì)識別分類具有可行性且結(jié)果可靠，進一步說明了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性高。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一款具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息處理、無線傳輸、處理結(jié)果顯示以及與其他節(jié)點協(xié)同工作能力的多功能電子鼻系統(tǒng)。其中主控芯片功能強大，可以完成數(shù)據(jù)處理和模式識別算法等程序的運行，且可擴展性強以及可移動性強、操作簡便。連接氣體傳感器后可作為一個完整的電子鼻系統(tǒng)，在應(yīng)用中，對其連接氣體傳感器陣列后采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)，用于鴨梨的品質(zhì)分類，且準(zhǔn)確率較高。此外該系統(tǒng)還具有體積小以及靈活的供電方式的有點，如鋰電池供電、適配器供電、USB 供電等，彌補了大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備過大、供電方式不夠靈活，數(shù)據(jù)傳輸距離短的缺點，為各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集工作提供了一種新方法和新思路。