摘要：鉴于ZigBee 技术适合用于数据采集系统的的特点,提出了基于ZigBee 的数据采集系统的设计方案,着重探讨ZigBee 节点的硬件设计及其组网设计.并详细讨论了基于CC2430 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ZigBee 网络的实验,证明新方案能取得良好的通信效果.
论文关键词：ZigBee,数据采集,无线传感器网络,单片机
Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[1]。
ZigBee 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, ZigBee 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[2]。 由于ZigBee 设备工作时间较短, 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. ZigBee 工作在250 kbps 的通信速率, 足已满足低速率通信传输的需要, 且2.4 GHz 的工作频段是免费频段[3].
设计原理
目首先，从整体来看，我们可以将目标设计分为几个模块：电源模块、主芯片模块、天线模块调试接口和外围扩展模块[4]。其中，电源模块、天线模块、调试接口和主芯片模块是必须的，可以用通常所说的”最小系统”来描述。外围扩展模块是根据用户的实际需求自行添加。
无线传感器节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。其中，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理 模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输模块负责与其他节点或Sink节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减小节点的体积[5]。
我们设计的节点实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等。为了降低传感器节点的成本，减小传感器节点的体积，我们采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的数据传输和处理功能。图3是设计的无线传感器节点的结构框图。下面将分别介绍无线传感器节点中的几个主要功能模块。
功能研究
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频前端、内存和微控制器。它使用1个8位8051 MCU，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于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，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[6]。
当 FFD 设备(Full Function Device)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。
协调器应用层生成的 NIME-NETWORK-FORMATION。
request 原语发送给网络层请求建立网络,网络层再通过MLME-SCAN.request 原语向MAC层请求检测信道能量及扫描信道, 收到确认后, 为新网络设置1 个PANId (网络号), 通过MLME-SET原语将PANId 设置为MAC 层macPANId, 网络层再通过MLME START.request 原语向MAC 层请求运行网络, 收到确认后运行网络, 网络建立成功[7]。
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[8]。
由于 CC2430 内置了温度传感器, 在实验中搭建温度采集的ZigBee 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。数据同时使中心节点接收, 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.
结语
基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、低成本、体积小的显著优点，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理。伴随无线自组织网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将从军事、环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测普及到生活中的各个领域。
参考文献：
[1] Garcia L R, Barreiro P. Performance of ZigBee-based wireless sensor nodes for real-time monitoring of fruit
logistics[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 87:405-415.
[2] 李文仲, 段朝玉. ZigBee 无线网络技术入门与实战[M].
北京: 北京航空航天大学出版社, 2007.
[3] 齐楠, 韩波, 李平. 基于ZigBee 的智能家庭无线传感器网络[J]. 机电工程, 2007, 24(3):20-22.
[4] 成锐, 李静, 雷鸣, 等. 基于ZigBee 的无线传感器网络设计方案[J]. 电子元器件应用, 2007, 9(12):54-58.
[5] 孙利民, 李建中, 等. 无线传感器网络[M]. 北京:清华大学出版社, 2005.
[6] GHARAVI H, KUMAR S P. Special issues on sensor networks and applications[J]. Proceeding of theIEEE,2003,91( 8):1151-1153.
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