基于ZigBee远程数据采集传输系统的开发与设计

张锐王笑宇

（1.驻马店职业技术学院信息工程系，河南 驻马店 463000；2.驻马店职业技术学院图书馆，河南 驻马店 463000）

基于ZigBee远程数据采集传输系统的开发与设计

张锐1王笑宇2

（1.驻马店职业技术学院信息工程系，河南 驻马店 463000；2.驻马店职业技术学院图书馆，河南 驻马店 463000）

基于ZigBee远程数据采集与传输系统具有功耗低、建网简单、成本低廉等特点，成为远程数据采集领域的研究热点。本文将围绕某工业现场环境，从ZigBee技术特点、架构协议分析入手，通过对终端、汇聚节点、监控中心的设计，并从系统测试中提出一种应用方案。该系统具有环境适应性强、覆盖范围广、传输速率高、网络稳定性强等特点。

ZigBee技术；远程采集传输；CC2430；无线传感网络

随着无线传感器网络理论和技术的不断发展，以无线通信和数据采集、传输为特色的无线传感器网络，因其优越的性能和低能耗成为工业现场监测的重要技术，ZigBee技术以低速率、短距离、低成本、自组网、多向传输等特点，在无线传感器网络中脱颖而出。［1］

1 ZigBee无线传感器网络技术特点及协议分析

1.1 ZigBee网络技术

ZigBee无线网络技术采用IEEE802.15.4标准协议，在系统能耗上具有延时短、结构存储量大，以AES128对称码进行多重校验，更具有数据传输的灵活性和安全性，尤其是良好的网络拓扑结构及自愈能力，在不同现场更具有广阔的覆盖范围和适应性。依据OSI协议模型要求，ZigBee无线网络自下而上分别为物理层、媒体访问控制子层、网络层、应用层四部分；网络层主要负责设备的初始化、发现路由及协同通信，应用层主要对各设备及网络层参数进行配置。

1.2 ZigBee协议分析

ZigBee无线网络在协议架构上，根据不同层的功能分属不同协议。在底层物理层、介质访问层和数据链路层，遵循IEEE802.15.4协议。物理层定义2.4GHz和868/915MHz两个频段，并通过RF固件为介质访问子层提供通信服务，其数据包格式为同步帧头、物理帧头、物理层净荷；［2］数据链路层MAC主要对链路层节点之间提供数据传输；ZigBee协议栈建立在IEEE801.15.4标准上，利用SAP接口满足各层间数据传输和通信。

2 基于ZigBee远程数据采集传输系统框架结构分析

以某矿井远程数据采集传输系统设计为例。

2.1 系统框架分析

根据矿井监测实际，设计一个多层网络结构。最底层为传感器网络；中间层对传感器采集的数据进行汇集至汇聚节点，利用网络路由传输至上层；上层为远程数据监控中心，负责对远程数据进行协调处理，并通过GPRS网络系统传输至Internet网，完成整个信息采集传输要求。

2.2 系统软硬件平台设计与方案优化

ZigBee芯片采用Chipcon公司的CC2430，其功耗低、开发和调试环境完善，且适用性强。CC2430提供128k的闪存空间，配以8051MCU，为现场数据采集提供可靠、稳定的技术支撑；对于GPRS模块采用SIEMENS的MC55芯片，内置GSM模块和TCP/IP协议，能够实现多种网络传输服务。［3］在软件平台上，选用IAR Embedded Workbench（EW）作为开发平台，内嵌C/C++编译器、汇编器、C-SPY调试器等，更具竞争力。

3 数据采集系统的设计

数据采集系统是对各项参数进行采集的过程，其结构和功能相对简单，其工作机制为接收采集指令，从睡眠模式启动，完成数据采集，利用主控芯片对数据进行封装并发送给网络协调器。

3.1 采集系统硬件设计

采集系统硬件结构设计根据不同现场数据参数，分为模拟量和脉冲量两种方式。对于模拟量数据，如压力、温度等参数，利用MCU模块来接收相应信号，并通过A/D转换来进行处理。当A/D转换电路活动4-20mA的电流时，经过电阻得到一个压降值，并送至放大器，再经过分压来判定压降值变化。当输入电压＜4mA时，电压差为0，从而实现标准电流向电压信号的转换。

从现场采集的脉冲信号，经过光耦合器，转换为可以识别的方波信号，再通过放大滤波电路及外围电路，实现信号转换和处理，并传送给CC2430主控系统的I/O接口。另外，在采集系统信号放大及滤波模块设计上，选用集成仪表放大器AD620，其体积小，采用SOIC封装，具有较好的直流及交流特性，能够满足最大输入失调电压50V，最大输入偏置电流2.0nA要求。

3.2 采集系统软件设计

在采集终端的软件设计上，利用传感器终端程序、采集模块软件、射频通信软件来完成。当收到采集指令则唤醒主控单元，利用定时器中断进入休眠状态等。

4 数据汇聚系统节点的设计

数据汇聚系统主要包括路由和网络协调器，通过对传感器采集的数据进行汇聚，由路由节点与协调器进行数据处理和协议转换，最后与GPRS系统模块完成数据交互。

4.1 汇聚系统的框架设计

汇聚系统长期处于工作状态，结构相对复杂。其工作机制为：接收来自采集终端的数据，并传递给协调器，协调器对数据进行转换，封装后发送给路由节点，在ZigBee系统调度下完成对网络数据的中转功能。［4］由于网络协调器和路由转换功耗较大，需要外接电源。

4.2 汇聚系统硬件设计

在汇聚节点，硬件系统主要包括网络协调器和路由电路设计，协调器主要包括电源系统、MCU控制芯片、Flash存储器、USB接口、串口电路、LCD显示及时钟系统等。电源系统主要完成外接22V交流电压的转换，以满足系统3.3V直流和5V串口电路供电需要；串口芯片采用MAX3221CAE，利用DIP-16封装方式满足TTL与RS232电平转换；路由模块电路设计与采集终端相似，增加存储器模块和LCD显示系统。本研究中存储器选用NAND闪存K9F2808U0C，工作电压为2.7-3.6V，总存储容量达132Mb，具有自动编程和擦写功能。

4.3 监控中心设计

监控中心主要有两个模块，一是管理终端模块，二是数据服务器。管理终端主要负责现场数据的采集，并进行相应处理，数据服务器主要进行数据处理和存储，便于查询及对整个系统进行调控操作。

5 系统调试及总结

本系统在测试中采用四个采集终端、一个路由节点、一个协调器和ZigBee无线网络系统组成。点对点测试结果表明，随着测试距离及传送字符数的增加，ZigBee网络丢包率呈现上升趋势，数据传输量越大，准确率也相继下降。总的来看，通信距离在10—75 m之间具有较高的传输准确度。星状网络测试结果表明，采集终端与协调器之间的星状距离不能超过700m，否则影响通信质量。在能耗测试中，采集终端采用电池供电，汇聚节点采用交流电源，整体能耗符合低功耗设计要求。

［1］ 苟争旭，周渊平.基于GSM和ZigBee的远程无线数据采集系统［J］. 通信技术. 2011（08）：82-84.

［2］ 杨伟，孙志雄，韩建文.数据采集系统中现场可编程门阵列技术的应用［J］. 数字技术与应用. 2013（04）：49-51.

［3］ 宋霄薇，吕艺.光电式速度传感器的工作原理及常见故障处理［J］. 郑州铁路职业技术学院学报. 2012（03）：35-37.

［4］ 余松涛.嵌入式远程数据采集与传输技术的研究与实现［J］. 电子科技. 2013（05）：90-92.

TP273 文献识别码A

1003-5168（2015）11-006-02

张锐（1980—），女，本科，讲师，研究方向：计算机网络