基于ZigBee的无线数据传输系统

高佳隽，仇国富

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)

0 引言

相比较其他的一些短距离无线传输技术，ZigBee技术具有低功耗、低成本、低速率、短延时、免执照频段等特点，能够应用于数据量传输较小的工业控制领域。在实际的工业现场，由于ZigBee使用的是2.4GHz的免费频段，频率高导致其穿过障碍物的能力较低，视距内的传输距离太短，往往需要组建一定规模的无线局域网，如何组建无线网络是必须解决的首要问题。

本文提出了一种自组织局域网的无线数据传输系统，最多的跳跃点数是3个，跳点太多会造成数据延迟性相应的增加［1］。Chipcon As公司的CC2420，是首款符合2.4GHz频率、IEEE802.15.4标准的ZigBee无线收发器，也是第一款适用于ZigBee产品的RF器件，性能稳定且功耗极低［2］。主控制器使用TI公司的MSP430F149芯片和CC2420组成网络中的协调器以及各个节点，给出了系统的硬件、软件结构设计。

1 总体结构设计

系统主要由上位机、ZigBee节点、ZigBee协调器三部分组成如图1。上位机是在Visual Basic6.0平台基础上开发的，该平台拥有的图形用户界面(GUI)和快速应用程序开发(RAD)系统，可以很容易使用ADO，DAO，RDO控件连接数据库，对上位机接收的数据进行处理。ZigBee节点主要用于现场数据采集，简单处理数据，而且部分节点还具有路由的功能，可增加系统数据传输的距离和可靠性。ZigBee网络这种多节点有序的特点可以稳定的传输数据，组成一个容错性较好的采集系统。

图1 系统结构图

采用部分网状拓扑结构，不是所有的节点都可以互相通信，它的优点是可以把网络的覆盖范围成几倍地扩大。系统中使用的CC2420收发器，每两个之间的无障碍传输距离为70～80m，因为多个节点可以作为路由器使用，所以网状拓扑结构就令整个网络无最大通信距离的限制。例如在图1中，节点7可以通过以下路径把数据传送至PC上位机:7—2—协调器—PC，还有一条是7—2—1—协调器—PC，这是为了防止一条路径不通而影响整个系统的正常工作，还可以有效的避开障碍物之类的因素［3］。

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee节点

ZigBee节点的功能是采集现场的数据，并将数据传送至ZigBee协调器，最终上传至PC上位机。ZigBee节点主要由传感器模块、MCU模块、ZigBee收发模块、存储模块以及供电模块五部分组成，如图2所示。

图2 ZigBee节点框图

传感器模块主要是采集现场数据，可以根据现场需要使用不同的传感器采集数据；MCU模块选择MSP430F149单片机，该芯片是16位处理器，自身内置12位精度的A/D转换模块，传感器得到的模拟信号可以直接传送给其进行AD转换，不用专门设计A/D转换电路。另外有四种模式LPM1、LPM2、LPM3、LPM4写程序时可以调用不同的模式达到理想的低功耗效果［4］。两个串口可用，一个作为RS232接口，另一个SPI工作方式与无线模块数据通信。JTAG提供下载程序的接口，指示灯为芯片上电指示。存储模块使用AT24C08，具有8kB的数据存储容量，加上单片机自身60kB Flash的容量满足数据存储需要，通过I2C总线与单片机连接，能快速、准确的存储和读取数据。ZigBee收发模块选择CC2420，CC2420具有低功耗、高抗干扰能力、独立的发送接收缓存、外部组件很少、对802.15.4MAC的硬件支持和硬件安全等特点，这些为硬件和软件设计提供了很大的方便。由于节点一般是分散在现场的各个地方，所以选择电池作为统一供电电源，而单片机和ZigBee无线模块使用的电压为1.8V～3.3V，所以使用两节1.5V电池串联提供3V的电源。

2.2 ZigBee协调器

ZigBee协调器的功能是负责组建本无线网络，允许各个节点加入与退出网络，以及把各个节点发来的数据上传至PC上位机。与节点组成一样，只是少了一个传感器模块，如图3所示。

图3 ZigBee协调器框图

3 系统软件设计

3.1 协调器软件设计

协调器承担整个ZigBee网络的组建，并和PC上位机通信，其工作流程如图4所示。

图4 协调器软件流程图

3.2 节点软件设计

ZigBee节点有两种:带路由功能的节点和不带路由功能的节点。前者比后者多了能够把数据包传递到下个节点的功能，在这里给出前者的工作流程，如图5所示。

图5 路由节点软件流程图

3.3 上位机

上位机功能:1)给ZigBee网络发命令，如读取某个节点的数据或者网络中所有节点的数据等，2)能够对读到的数据进一步处理，如数据包包含了帧头、网络PANID、各个节点短地址、现场数据、校验码、帧尾等，把这些数据区分开来，放到对应的位置。选择VB编程界面设计上位机，VB是比较成熟、快速的上位机开发工具，其可视化界面简便实用，而且有专门和数据库连接的控件，方便数据处理［5］。

4 结语

系统结合了MSP430单片以及ZigBee的特点，提供了低功耗、低成本的无线数据传输解决方案。网络还具有自修复能力，节点的断开与加入网络都可以自动实现，容错性好，电源的设计考虑到ZigBee技术的分布性选择使用电池，可以持续使用6～24个月［6］，传感器模块更换一下，就能够应用到其他领域，对于数据传输量不大，实现远距离控制的工业现场是不错的选择。

［1］徐志，陈彬兵.自组织ZigBee网络节点通信研究［J］.通信技术，2009，42(12):128-131.

［2］Chipcon As SmartRF CC2420 Prelininary Datasheet(rev1.2)，2004.

［3］彭燕.基于ZigBee无线传感器网络节点的研究［J］.现代电子技术，2011，34(5):49-51.

［4］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

［5］孙学岩.基于ZigBee无线传感器网络的温室测控系统［J］.仪表技术与传感器，2010，(8):47-49.

［6］吴光荣，章剑雄.基于CC2430的无线传感器网络的实现［J］.现代电子技术，2008，(12):121-124.