Zigbee無線網絡在數據采集中的應用

信陽農業高等?？茖W校計算機科學系 張克旺 朱猛

Zigbee無線網絡在數據采集中的應用

信陽農業高等?？茖W校計算機科學系 張克旺 朱猛

ZigBee無線數據傳輸網絡，適用于鋼鐵冶煉溫度控制、蔬菜大棚溫度監控、土壤酸堿度監控和煤氣抄表等多個領域。該網絡是中短距離、低速率的無線傳感網絡，射頻傳輸成本低，各節點只需很少的能量，即可實現一點到2點和多點間的對等通信，具有快速組網自動配置、自動恢復和高級電源管理功能，網絡中任意2個傳感器之間可相互協調實現數據通信。并且，ZigBee網絡能夠滿足對各種傳感器的數據輸出和輸入控制，使現有系統實現網絡化和無線化，可應用于溫度濕度監控、壓力過程控制數據采集、流量過程控制數據采集、工業監控、樓宇自動化、數據中心、制冷監控、設備監控、社區安防、環境數據檢測、倉庫貨物監控等諸多領域。

一、設計模型

設計1個數據采集系統，實現對4路模擬量進行數據采集，4路模擬量信號分別為1～5V電壓信號、4～20mA電流信號、0～60 mV電壓信號和0～200Ω電阻信號，數據采集由CC2430芯片完成，采集數據通過無線網絡傳送接收端的CC2430，將數據傳送到上位機（PC機）上顯示。

二、硬件設計

1.硬件構成。

（1）設計出模擬量輸入通道（含信號調理電路和濾波電路）。

（2）設計出CC2430的無線收發模塊（包括發射部分和接收部分）。

（3）設計出CC2430與PC機的串口通信電路。畫出上述電路原理圖，并在實驗板上實現（已調試通過）。

2.硬件實現。實驗采用4個按鍵來啟動A/D轉換。其中，CC2430的P2.0口接按鍵1，P2.1口接按鍵2，P2.2口接按鍵3，P2.3口接按鍵4。

（1）當按鍵1按下后，啟動A/D轉換，對應CC2430的IN0口將采集0～5V的電壓信號并進行轉換，然后將轉換的結果通過無線方式傳送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送至PC機，通過VC編寫的上位機程序進行顯示。

（2）當按鍵2按下后，啟動A/D轉換，對應CC2430的IN1口將采集的電壓信號進行轉換，在軟件處理上采用電壓和電阻方式來得到相應的電流值，然后將轉換的結果通過無線方式傳送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送至PC機，通過VC編寫的上位機程序進行顯示。

（3）當按鍵3按下后，啟動A/D轉換，CC2430的IN1口將采集的電壓信號進行轉換，在軟件處理上采用將采集得到的電壓放大相應的倍數的方式來得到相應的電壓值，然后將轉換的結果通過無線方式送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送至PC機，通過VC編寫的上位機程序進行顯示。

（4）當按鍵4按下后，啟動A/D轉換，對應CC2430的IN3口將采集的電壓信號進行轉換，在軟件處理上采用電壓和電流方式來得到相應的電阻值，然后將轉換的結果通過無線方式傳送到接收端的CC2430芯片上，同時通過串口送PC機，使用VC編寫的上位機程序進行顯示。

在無線部分本設計中，筆者選用了CC2430無線收發模塊。CC2430使用低功耗的8051微控制器，集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線收發機。它具有電池監測和溫度監測功能，集成14位模/數轉換的ADC，以及1個符合IEEE802.15.4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器。擴展引腳如圖1所示。

數據采集的部分采用P0.6口作為ADC輸入，使用內部集成的14位模/數轉換器來完成。P0.2口和P0.3口作為串口與電腦相連，數據采集結果通過串口調試助手來顯示，采集外部參考電壓0～3.3V實現數據的動態顯示。數據采集部分設計如圖2所示。

圖2 數據采集部分設計

三、軟件設計

1.軟件實現。

（1）編寫4個通道的數據采集程序。

（2）數據采集程序加載到Zigbee協議棧的應用程序部分。

（3）Zigbee協議棧接收部分程序設計。

（4）編寫VC上位機串口顯示程序。

ZigBee協議棧由1組子層構成，每個子層為上層提供1組特定的服務。1個數據實體提供數據傳輸服務，1個管理實體提供全部的其他服務。每個服務實體通過1個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來實現相應的功能。ZigBee協議棧雖然基于標準的7層開放系統互聯（OSI）模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。其中，應用層的框架包括了應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和由制造商制定的應用對象。結構體系如圖3所示。

2.結果實現。當打開第一通道時，采集到的電壓信號經過CC2430模塊進行A/D轉換，并通過無線方式發送到CC2430的接收模塊上，然后通過串口傳送到PC機進行顯示，實現結果如圖4所示。

本文，筆者介紹了無線傳感器網絡的概念，并詳細說明了無線收發模塊CC2430的功能。基于無線傳感器網絡節點的設計原則，給出了系統硬件結構的設計方案和具體實現設計，并從硬件和軟件兩個方面考慮了低功耗的設計要求，為無線網絡與智能傳感器的結合提供了一種創新的設計方法。解決了數據的無線采集問題。