基于ZigBee无线传感器网络数据采集系统设计与开发

唐敏

摘要：该文提出了一种基于ZigBee的无线传感器网络数据采集系统，该系统直接应用于课程教学实训，本系统由若干个传感器节点组成星型网络拓扑结构，终端节点将采集到的数据通过ZigBee无线传感器网络发送给协调器节点，由协调器节点通过串中发送到PC机，然后进行统一的分析和处理。该系统也可以应用于其他领域。

关键词：无线传感网；ZigBee；数据采集

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0042-03

Abstract： The article suggest a novel WSN data acquisition system based on Zigbee. The system is used in the teaching and experiment. The sensor nodes of the system can form the net topology architecture of star. Secondly， the information from sensor can be transmitted to PC via Zigbee and data acquisition module， and then doing analyze and deal with together. The system will be used in many fields in the future.

Key words： wireless sensor network （WSN）； Zigbee； data acquisition

1 ZigBee简介

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低复杂度、自组织、低功耗、低成本的无线通信技术，主要应用于近距离无线连接，有自己的通信标准，能够在若干个的传感器之间相互协调通信。其应用领域有：家庭和楼宇自动化网络；工业生产过程控制；安防控制系统；智慧商业；智慧农业；智慧医疗等。

ZigBee也是一种标准，它有自己的通信标准，基于ZigBee的无线网络使用的工作频段有2.4GHz、868MHz、915MHz。在2.4GHz频段共有16个信道，通信速率为250kbps；在915MHz频段共有10个信道，通信速率为40kbps；在868MHz频段有1个信道，通信速率为20kbps。现在国内主要使用2.4GHz的工作频段。ZigBee有三种网络拓扑结构：星型结构、网状结构和簇状结构。如下图1所示，其中，全功能设备（FFD，Full Function Device）和精简功能设备（RFD，Reduced Function Device）。FFD可以当作一个网络协调器来组建与管理整个ZigBee网络，也可以作为一个普通的终端节点和其他的设备通信，也就是充当了路由节点的功能。但RFD设备只能作为终端节点，只能和FFD设备进行通信，通过FFD设备将自己采集的数据传送出去。

本文采用ZigBee技术来组建无线远程数据采集系统，并使用VS2012的Winform开发了一个基于ZigBee的无线通信控制系统。在这个系统中对传感器节点进行温度、湿度气体浓度等数据进行采集，采集到的数据由终端节点传输到协议器节点，协议器节点通过串口传输到PC机，供上层进行决策。

2 ZigBee无线传感网数据采集系统设计与开发

2.1系统设计原理

系统设计原理图如图2所示。本系统中，协调器节点负责建立网络，路由器节点与终端节点申请加入网络，然后周期性地采集温度、湿度等数据发送给协调器，协调器通过串口将数据发送给PC机。在具体编程设计过程中还要考虑到节点的数据结构，系统中关于节点的数据结构是采用一个结构体来实现的，其中包含了数据包头、尾以及所采集的传感器数据。设计者可以根据自己设计的系统不同来构建自己的数据结构形式，当然较完整的数据结构还应包含校验信息。本系统的所采用的数据结构定义见下文。

2.2 系统硬件设计

本系统中传感器节点的微处理器采用基于ZigBee技术的CC2530芯片，CC2530集成了51单片机内核，相比于其他的Zigbee芯片，CC2530应用更广泛。它是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。本系统的开发平台使用的是 IAR + Z-stack 2007 PRO。

2.3 系统软件设计

本系统所用的开发环境是IAR7.6 + Z-stack 2007 PRO+VS2012 ，采用的协议栈为TI公司的 Z-STACK。系统中的采集器将数据传输到上机 PC 上，通过人机交互方式对无线传感器网络（WSN）内不同的传感器进行数据采集监测，以便上层应用做出决策。

系统中协调器负责接收路由节点和终端节点发送来的数据，接收到数据后，通过RS232传输到PC机的上层应用控制系统，根据前面数据包设计，我们在协调器的头文件中要定义数据包的数据结构。除了在协调器头文件占定义数据包的数据结构，其他的的还涉及到协调器的编程、路由器的编程、终端节点的编程以及传感器的编程，由于篇幅有限在此就不在赘述。

2.4 系统上层应用程序开发

系统开发板涉及到的编程准备好后，下面我们便要进行程序的调试与下载，并将下载到开发板上的程序运行。准备好开发板后，上层PC端我们是用VS2012的Winform开发的系统控制程序，通过串口与我们的开发板相连，从而实现数据从开发板到PC之间的连通。本系统开发的串口助手使用了两种数据显示方式，一种是普通显示方式如图3所示，另一种是HEX显示方式如图4所示。

3 结束语

本系统所构建的ZigBee无线传感器网络可以采集温度、湿度、电压、电流、磁场等十余种传感器节点数据，并将采集到的数据通过协调器传送给上位机进行处理，在教学实训过程具有着很好的展示作用。本系统是笔者在ZigBee技术教学过程中，为高职学生设计的项目化教学实践内容，同时还对教学内容进行了拓展，增加了上层应用开发系统，为不同层次的学生提供了更多的学习途径，教学效果良好。同时本系统的设计思路也可以直接运用于其他物联网应用领域，如安防、智能家居、智慧医疗、智慧农业等领域。

图4 HEX显示数据方式

参考文献：

[1] 王小强等. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京： 化学工业出版社， 2013.

[2] 瞿雷.一种新的无线网络通信技术ZigBee[J]. 单片机与嵌入式应用， 2006（1）.

[3] http：//baike.baidu.com/view/4935235.htm？fr=aladdin.

[4] 王东， 张金荣. 利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J]. 重庆大学学报， 2006（8）.

[5] 卓文华讯. C#3.0从基础到项目实战[M]. 北京： 化学工业出版社， 2010.

[6] http：//www.itcast.cn/.