基于ZigBee技術低功耗無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸

1、研究與開發(fā)2012年2月第31卷第2期基于ZigBee 技術低功耗無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸呂宏黃釘勁（西安工業(yè)大學光電工程學院西安710032）摘要：提出一種基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡技術的無線溫度數(shù)據(jù)傳輸設計方案。結合溫度參數(shù)采集算法，設計了ZigBee 低功耗無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸網(wǎng)絡節(jié)點，以標準Pt100實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集，采用掌上智能終端PDA 以及上位機計算機對接收數(shù)據(jù)進行分析處理。結果表明，系統(tǒng)可實現(xiàn)在70m 范圍內實時傳送采集到的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功耗20mA ，時間同步精度較高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠滿足工業(yè)環(huán)境下的溫度數(shù)據(jù)參數(shù)的遠程監(jiān)控。關鍵詞：ZigBee ；低功耗；數(shù)據(jù)采集；傳

2、輸中圖分類號：TP274文獻標識碼：AWireless Temperature data acquisition and transmission oflow-power consumption based on ZigBeeLv HongHuang Dingjin（School of Optoelectronic Engineering ，Xi' an Technological University ，Xi'an 710032，China ）Abstract ：A design strategy of the wireless temperature data acquis

3、ition and transmission system based on ZigBee wireless sensor technology is proposed and implementedThe ZigBee wireless sensor network node of system are designed according to the collec-tion algorithm of temperature parametersA kind of platinum resistor Pt100is used as the temperature sensor to rea

4、lize the collec-tion and the transmission of the temperature data ，and the data acquired will be ultimately transfer to the mobile terminal PDA （personal digital assistant ）and the computer for further analysis and processingThe results show that the system can achieve real-time transmission of temp

5、erature data collected in the 70m range ，and the system power consumption less than 20mAAnd the same time ，the system have stable working condition and high precision of time synchronizationThe design is able to meet the needs of remote monitoring of the temperature data parameters on industrial env

6、ironmentKeywords ：ZigBee ；low-power consumption ；data acquisition ；transmission收稿日期：2012-10引言工業(yè)現(xiàn)場常需將采集的大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行處理和分析，數(shù)據(jù)采集及傳輸作為監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的部分，其性能將會直接影響到整個系統(tǒng)的功效。在有線數(shù)據(jù)采集及傳輸過程中，存在著系統(tǒng)布線麻煩、功耗大、代價高的問題，而采用傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集及傳輸方式也存在著通信協(xié)議復雜、系統(tǒng)代價高及功耗大的缺點。Zig-Bee 無線傳感器網(wǎng)絡技術作為一種全新的短距離無線通信技術，在智能控制、無線監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測等領域得到了廣泛應用1-

7、3。ZigBee 協(xié)議是專用于無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議，能最大可能的節(jié)省網(wǎng)絡中的能量，可隨時接入大量節(jié)點，ZigBee 設備通常只有激活和睡眠兩種狀態(tài)，電池設備進入睡眠狀態(tài)僅需幾分鐘，而且ZigBee 網(wǎng)絡中的通信循環(huán)次數(shù)也很少，在基于ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡中，終端節(jié)點一般使用削減功能設備來降低系統(tǒng)的成本和功耗，從而提高電池使用壽命4-11。采用基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)溫度等數(shù)據(jù)低功耗采集及通信是一種切實可行的方案。基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件原理及軟件設計方法，應用ZigBee CC2430芯片實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件及軟件設計，在

8、此基礎上搭建了基于ZigBee 的低功耗溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)，同時結合無線移動終端PDA 以及上位機，實現(xiàn)了無線傳感器2012年2月第31卷第2期研究與開發(fā)溫度數(shù)據(jù)的低功耗采集及傳輸。1設計方案 ZigBee 傳輸速率是10 250kb /s，傳輸距離可達1075m ，具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)能力以及很強的網(wǎng)絡健壯性和實用可靠性，支持星型結構、網(wǎng)狀結構、簇狀結構3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型。設計選取TI 公司CC2420芯片來實現(xiàn)ZigBee 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用。CC2420包括了24GHzDSSS 射頻收發(fā)器，其休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，滿足無線傳感器網(wǎng)絡對低成本、低功耗的要求

9、。PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在無線傳感器網(wǎng)絡中不僅可以與網(wǎng)內其他節(jié)點通過CC2430無線射頻模塊實現(xiàn)無線通信，還可以與系統(tǒng)中的上位機服務器進行數(shù)據(jù)交互，在一定范圍內進行實時移動監(jiān)控。通過ZigBee 開始建立一個網(wǎng)絡，子節(jié)點模塊加入網(wǎng)絡，組網(wǎng)過程自動進行，無需人工干預。無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。 圖1無線溫度采集及傳輸系統(tǒng)組成2系統(tǒng)設計及實現(xiàn)21系統(tǒng)硬件設計根據(jù)設計功能要求，系統(tǒng)的硬件電路分為溫度數(shù)據(jù)采 集終端、便攜控制以及數(shù)據(jù)接收端電路。其中數(shù)據(jù)采集終端電路主要由電源模塊，ZigBee 無線模塊，傳感器接口電路等模塊組成。便攜控制電路主要包括按鍵電路，液晶顯示模塊。數(shù)據(jù)接收

10、端電路還包括串口模塊等。其中無線模塊電路主要由CC2430芯片及其外圍電路組成，如將5V 電壓分別轉換為33V 和18V 的電源轉換濾波電路以及芯片晶振電路、巴倫電路等。在無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸工作過程中，鑒于實際現(xiàn)場采集到的信號往往很弱，為毫伏量級，要經過放大電路把較微弱的信號放大到與A /D轉換器輸入電壓相匹配才能進行觀測以及保證驅動后續(xù)設備，同時為了排除各種外來的共模干擾，還需具有足夠大的共模抑制比。由于AD620尺寸小、功耗低、精度高，系統(tǒng)選用AD620儀表放大器，可將采集到的溫度數(shù)據(jù)信號放大近一倍。同時增加一個外部電阻設置1 1000的增益。無線溫度采集及傳輸系統(tǒng)電路板實物如圖2所示

11、。圖2無線溫度采集及傳輸系統(tǒng)電路板22系統(tǒng)軟件設計無線溫度采集及傳輸系統(tǒng)首先通過協(xié)調器發(fā)動并建立網(wǎng)絡，網(wǎng)絡創(chuàng)建之后其他子節(jié)點如終端、路由器等就可以加入該網(wǎng)絡。協(xié)調器首先進行信道掃描，根據(jù)掃描結果選用一個沒有被其他網(wǎng)絡使用的空閑信道，同時規(guī)定Cluster-Tree 的拓撲參數(shù)，如最大的兒子數(shù)、最大層數(shù)等。數(shù)據(jù)接收端程序主要完成數(shù)據(jù)的接收以及上位機與PDA 之間的通信，網(wǎng)絡協(xié)調器建立網(wǎng)絡程序流程圖如圖3所示。圖3網(wǎng)絡協(xié)調器建立網(wǎng)絡程序流程ZigBee 終端節(jié)點完成的功能包括：發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡、加入網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、接收協(xié)調器的控制等。數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點程序流程圖如圖4所示。圖4數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點程序流

12、程95研究與開發(fā)2012年2月第31卷第2期終端溫度采集節(jié)點的功耗問題會直接影響到系統(tǒng)的壽命，CC2430的微處理器內核采用8051，終端節(jié)點在休眠計時情況下不會接收及處理父節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，所以不能通過父節(jié)點對其進行休眠喚醒。即終端節(jié)點如果在休眠狀態(tài)下還能夠接收數(shù)據(jù)，那么節(jié)點仍然處于監(jiān)聽狀態(tài)，設計最終將終端節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)采集與節(jié)點休眠機制結合起來，采用休眠定時的方式對終端節(jié)點進行休眠喚醒。設定終端節(jié)點在溫度數(shù)據(jù)采集完成之后將數(shù)據(jù)向其父節(jié)點進行發(fā)送，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)成功后終端節(jié)點進入休眠狀態(tài)，當休眠計時時間到，終端節(jié)點開始下一輪的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送過程，可有效降低無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點的功耗

13、。對設計的低功耗無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)分別進行了點對點數(shù)據(jù)傳輸測試和星形網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸測試，測試結果如表1所示。表1數(shù)據(jù)傳輸測試結果傳輸距離傳輸方式點對點數(shù)據(jù)傳輸路由網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點距離中轉傳輸發(fā)送次數(shù)接收次數(shù)中轉傳輸發(fā)送次數(shù)接收次數(shù)70m 正常，有間斷500367正常，有間斷50031060m 正常，間斷少500492正常，間斷少50047950m 正常，無間斷500500正常，無間斷50050040m正常，無間斷500500正常，無間斷5005003結束語根據(jù)ZigBee 的無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體需求，分析了ZigBee 協(xié)議棧的工作流程，設計無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路，同時進行了無線數(shù)據(jù)

14、采集系統(tǒng)的核心軟件設計。采用ZigBee 模塊作為網(wǎng)關轉發(fā)終端采集的溫度數(shù)據(jù)，PDA 無線終端實時顯示子模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，并和上位機進行通信。通過節(jié)點的休眠機制達到降低節(jié)點功耗的目的。進行室內室外的溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸實驗，實驗發(fā)現(xiàn)，在簡單路由網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸中節(jié)點距離大于70m 時，數(shù)據(jù)傳輸有間斷，丟包率較高，距離在50 70m 范圍通信比較穩(wěn)定，距離低于50m 時，數(shù)據(jù)傳輸及中轉正常，丟包率為0。結果表明，系統(tǒng)可實現(xiàn)在70m 范圍內實時傳送采集到的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功耗20mA ，時間同步精度較高。參考文獻1戴善溪，張效民基于ZigBee 技術的數(shù)字式溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡設計J 國外電子測量技術，2010

15、，29（2）：47-492李風保，李凌無線傳感器網(wǎng)絡技術綜述J 儀器儀表學報，2005，8（26）：559-5613周嶺松，余春暄基于ZigBee 技術的溫、濕度控制系統(tǒng)J 電子測量技術，2011，34（6）：47-504彭瑜低功耗、低成本、高可靠性、低復雜度的無線點通信協(xié)議-ZigBee J 自動化儀表，2005，26（5）：1-45卿曉霞，王文章，王波基于節(jié)點轉移的ZigBee 網(wǎng)絡孤立點減免算法J 儀器儀表學報，2010，31（7）：1650-16566周洪偉，羅建，王韞，等外場環(huán)境信息無線監(jiān)測系統(tǒng)設計J 國外電子測量技術，2011，30（4）：66-687王玲芝，李春茂，袁立行基于ZigBee 技術的高壓設備溫升監(jiān)測系統(tǒng)J 測控技術，2010，29（12）：1-38楊福寶基于Zigbee 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究設計J 制造業(yè)自動化，2011，33（1）：60-629宋蟄存，陳寧，李迪飛ZigBee 無線傳感技術在森林火災監(jiān)測中的應用J 自動化儀表，2011，32（4）：50-5210孫學巖基于Zig