基于ZigBee技術的數據采集終端設計

陳光

(天津理工大學中環信息學院,天津 300380)

0 引言

ZigBee技術作為時下新興的近距離無線傳感網絡通信技術,具有“距離短、功耗低、成本低、自組網”等優點[1],在工農業、軍事、醫療和環境監測等領域有著普遍的應用。

ZigBee是一種低成本、低功耗、不用布線、收集數據也比較方便、適用范圍較廣的網絡,可根據所要監控參數的需要設計相應成本、功耗、可靠、安全性的設備[2]。無線網絡監控系統可以在不同的空間、不同的領域監測室內外某一片區的參數。這種監控系統有效的解決了傳統有線傳輸方式存在的弊端,無線模塊省去了不少的物力財力,同時也省去了許多麻煩。

1 ZigBee協議簡介

ZigBee無線傳感網絡依靠ZigBee協議棧實現,和TCP/IP協議棧相似。Z-Stack協議棧分為許多層,能夠清楚明確各層的來龍去脈,便于設計調試以及運用。抽象層(OSAL)是Z-Stack協議棧運行的關鍵層,沒有OSAL層系統就不能運行,運行前軟硬件需要復位,OSAL通過時間函數實現多任務處理機制,其任務處理機制如圖1所示[3]。

圖1 任務處理機制Fig.1 Task processing mechanism

Z-Stack是TI公司設計的ZigBee協議棧,ZigBee協議棧每一層都有一個事件處理函數,用來處理與這一層操作相關的各種事件,這樣整個協議棧便會按照時間順序有條不紊的運行。

2 ZigBee檢測平臺的設計與實現

CC2530芯片是Chipcon公司推出的基于IEEE820.15.4標準的ZigBee應用的片上系統,其內存版本有4種:分別是CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256,分別對應的內存是32KB、64KB、125KB、256KB[4]。RF結合了工業標準的8051MCU,是一種CC2530內置的領先轉發器,有可編程的8KB閃存、兩個復用接口、UART接口和SPI接口、8個通道的ADC、21個GPIO接口功能,CC2530具有不同狀態的工作電源,適用于負載比較均衡的工作環境。

CC2530芯片支持2.4GHz IEEE 820.15.4 RF收發器,外接部件需要較少,接收比較靈活,能夠阻止外界信息入侵,不易被影響,無線電頻率規范所確定,一個工作環境一個晶振[5]。

低功率是CC2530的特性,主動模式接收24mA,主動模式發送29mA,供電模式1:0.2mA,供電模式2:1uA,供電模式3:0.4uA,寬電源電壓2V～3.6V,CC2530構架如圖2所示。

CC2530核心開發板如圖3所示。

根據開發板PCB設計文件,制作了PCB電路板,如圖4所示。

基于ZigBee協議的無線監控系統的協調器,接收終端接收到的溫濕度數據,通過各個節點和串口連接傳輸到PC機[6]。協調器的底板PCB設計如圖5、圖6所示,CC2530核心板與協調器底板的安裝實物如圖7所示。

圖2 CC2530組成構架Fig.2 CC2530 composition framework

圖3 CC2530開發板Fig.3 CC2530 development board

3 系統驗證

選擇CoordinatorEB-Pro,把代碼下載到發送端開發板A;作為協調器,通過USB接口的數據線和電腦連接。選擇EndDeviceEB-Pro,把代碼下載到接收端開發板B;終端設備把數據以無線的形式發送給協調器,也通過帶USB接口的數據線跟PC機連接,如圖8所示。

圖4 PCB板主要器件焊接Fig.4 PCB board main device welding

圖5 協調器底板Top Layer PCB電路Fig.5 coordinator backplane Top Layer PCB circuit

圖6 協調器底板焊接器件Fig.6 coordinator backplane welding device

把兩塊開發板連接正確通電,在PC機上打開串口調試助手,波特率設為9600,打開串口請選擇自己的端口號。接收端連網成功后會向協調器發信息,發送成功后就會在PC機端顯示,運行程序如圖9所示。

通過協調器把收集到的數據傳輸到接收終端,由串口實現調試,最終在PC機上顯示實時溫濕度。

圖7 CC2530核心板與協調器底板安裝Fig.7 CC2530 core board and coordinator backplane install

圖8 外殼與實物組裝通電Fig.8 shell and object assemble and electrify

4 結論

無線網絡融合了網絡通信技術、信息處理技術和傳感器技術,它是一項高科技技術,受到人們的廣泛關注,無線網絡技術還會發展到更高的科技領域。

本文是對基于ZigBee協議的無線監控系統進行的設計。在ZigBee CC2530和DHT11的基礎上,通過軟硬件的連接調試、代碼的寫入實現溫濕度的監測。ZigBee無線傳感器網絡應用前景非常廣闊,ZigBee無線傳感網數據采集系統的設計與實現,推進了無線網絡這項高科技產業的發展,為后人在此領域的研究和發展奠定了基礎。

圖9 串口監視Fig.9 serial monitor

本文主要適用于監測某一領域的溫濕度,比如工農業的生產控制、科學研究氣象監測、軍事醫學等。ZigBee無線傳感器網絡是低功耗、低成本、短距離、不用布線、移動方便、可靠、抗干擾的無線網絡,是非常實用的一項無線監測技術。ZigBee無線傳感網絡監控能夠滿足特殊領域的需求和覆蓋有線監控難以涉及的范圍,所以不會被限制在有限的區域,能實現全方位的監控。