ZigBee數(shù)據(jù)采集論文

ZigBee數(shù)據(jù)采集論文1外圍電路CC2530射頻模塊通過外引24個引腳，包括普通IO引腳P00-P24和電源、復位引腳，實現(xiàn)與外圍電路的連接。外圍電路包括復位電路、開關(guān)電路、傳感器接口電路、按鍵指示電路、通信調(diào)試電路、電源供電電路。主要電路功能介紹如下：按鍵指示電路：節(jié)點包括Led和蜂鳴器指示電路，用于本節(jié)點的指示功能；支持按鍵功能，進行節(jié)點工作形式的轉(zhuǎn)換。開關(guān)電路：由三極管電路組成，用于實現(xiàn)傳感器供電的通斷。通信調(diào)試電路：由串口電路和JTAG調(diào)試接口組成；串口負責與PC上位機軟件的連接，方便修改節(jié)點的參數(shù)；JTAG接口方便上位機集成環(huán)境IAR等調(diào)試用。電源供電電路：基本供電由外部USB接口電源5V通過AMS1117轉(zhuǎn)3.3V以及直接電池3.3V供電組成；傳感器可由內(nèi)部3.3V供電，而大于3.3V則由外部電源直接提供。傳感器接口電路：包括危化品物流車輛常見的幾種信號〔0-5V、4-20mA、開關(guān)量、數(shù)字量〕采集電路，可同時接四種類型的傳感器。其中數(shù)字量主要是DS18B20、DHT11溫濕度傳感器的輸出信號；0-5V主要是氣體泄露檢測、光敏、真空度傳感器的輸出信號；4-20mA主要是壓力、液位傳感器的輸出信號；開關(guān)量主要是紅外、門開關(guān)、傾斜傳感器的輸出信號；信號接入后進行了信號隔離和二極管鉗位保護電路。2節(jié)點軟件2.1節(jié)點軟件架構(gòu)軟件設(shè)計部分主要是基于TI公司的Z-stack協(xié)議棧進行應(yīng)用程序的開發(fā)。Z-stack協(xié)議棧是一款穩(wěn)定性強的Zigbee開發(fā)協(xié)議棧，是對Zigbee標準的詳細實現(xiàn)。協(xié)議棧APL〔應(yīng)用層〕包含了主要的API函數(shù)接口，方便進行應(yīng)用開發(fā)，進而實現(xiàn)對CC2530芯片硬件資源的控制功能。詳細軟件框架設(shè)計如此圖4所示。應(yīng)用層軟件主要包括節(jié)點間數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、節(jié)點內(nèi)應(yīng)用層與底層的交互。應(yīng)用層的數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀格式進行封裝傳給底層繼續(xù)封裝并發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)則由底層先進行解釋，再由應(yīng)用層進行解釋，然后進行數(shù)據(jù)的計算、更新參數(shù)等步驟。應(yīng)用層還可通過API控制接口對底層進行控制與信號、參數(shù)獲取。2.2數(shù)據(jù)幀格式Zigbee采集節(jié)點和主節(jié)點模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式采用字符串形式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收。由于是采用字符進行數(shù)據(jù)傳輸，所以能夠利用上位機現(xiàn)有的字符串處理函數(shù)，很容易校驗數(shù)據(jù)正確性，并從數(shù)據(jù)幀中提取有效信息，避免因幀長度判定引起的錯誤。另外，基于Zigbee傳輸速率較低、傳感器數(shù)據(jù)量小、刷新速度慢的需求等特點盡量減小和限制了協(xié)議中各數(shù)據(jù)域的占位寬度，保證傳輸效率。詳細數(shù)據(jù)格式如表1所示。幀頭：本協(xié)議節(jié)點間的應(yīng)用層交互主要有命令幀和數(shù)據(jù)幀。幀頭是辨別命令幀和數(shù)據(jù)幀而設(shè)立的。幀頭包括：Set、Get、Ack、Data4種。Set指的是主節(jié)點對采集節(jié)點進行參數(shù)設(shè)定，為命令幀，是主節(jié)點需要對子節(jié)點進行參數(shù)配置的時候發(fā)送的，子節(jié)點收到此類型幀后，發(fā)回Ack幀，講明參數(shù)設(shè)置成功與否；Get指的是其他節(jié)點需要獲取本節(jié)點信息，為命令幀，本節(jié)點收到此類型幀后，發(fā)送數(shù)據(jù)幀；Ack指的是節(jié)點間通信應(yīng)答狀態(tài)幀，SUCC為成功、FAIL為失??；Data指的是數(shù)據(jù)幀，攜帶節(jié)點參數(shù)、傳感器采集數(shù)據(jù)。如表2所示。目的地址：目的地址指的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備唯一標識的網(wǎng)絡(luò)ID。為十六進制0X0000-0XFFFF之間值。其中有幾個地址值有特殊的含義，0XFFFF表示廣播地址；0XFFFE表示所有接收功能打開的設(shè)備；0XFFFC表示所有路由設(shè)備；其余地址為單一設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)地址的獲得經(jīng)過是：主節(jié)點設(shè)備啟動成功后，自設(shè)定為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的主網(wǎng)絡(luò)ID0X0000，子節(jié)點設(shè)備在申請參加成功后獲得一個網(wǎng)絡(luò)身份標志ID。幀類型：在幀頭為Set、Get、Data時，此幀位置都有意義，分別代表設(shè)置、獲取、攜帶相應(yīng)類型的節(jié)點信息。這些類型包括，傳感器數(shù)據(jù)(Sensor)、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址(NAdr)、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)類型(NType)、采集周期(Cycle)、產(chǎn)品信息(Info)、發(fā)送方式(SWay)、功率形式(PMode)、信道選擇(Channel)、AD參考電壓(ADMode)、默認發(fā)送地址(DSAdr)。信道數(shù)據(jù)：DataChannel796F800\r\n(第11〔0x0B〕無線信號通道)載荷：載荷是整個通信幀中最重要的部分，包括了通信的主要內(nèi)容。載荷的詳細內(nèi)容需要根據(jù)幀類型來確定。描繪如下：〔1〕幀類型為傳感器數(shù)據(jù)：此時載荷部分包括傳感器類型、傳感器ID、傳感器值。傳感器類型包括?；肺锪鬈囕v常見信號：1.溫度、2.門開關(guān)、3.真空度、4.液位、5.壓力、6.電壓、7.濕度、8.氣體、9.紅外10.光敏、11.傾斜。傳感器ID從0開場分配，表示同種類傳感器的使用編號?！?〕幀類型為非傳感器數(shù)據(jù)：此時載荷部分攜帶網(wǎng)絡(luò)地址、采集周期、發(fā)送地址等值。結(jié)尾符：本協(xié)議結(jié)尾符為字符“\r\n〞，加上字符串結(jié)束符‘\0’,固定為3個字節(jié)。結(jié)尾符是一幀數(shù)據(jù)的界定符，上位機軟件能夠根據(jù)此結(jié)尾符很快能斷定幀的長度，避免一些數(shù)據(jù)長度判讀錯誤的發(fā)生。2.3軟件處理流程Z-stack協(xié)議?；谳喸儥C制，事件是最小處理單元，每個事件都有相應(yīng)的處理函數(shù)，當事件管理數(shù)據(jù)構(gòu)造相應(yīng)的位置位時，協(xié)議棧通過輪詢機制就能發(fā)現(xiàn)并跳入相對應(yīng)處理函數(shù)進行處理步驟，處理完再返回輪詢大循環(huán)。這里主要設(shè)置了3個事件，分別是串口事件、無線事件和采集事件。串口事件主要處理與上位機的通信；包括根據(jù)上位機命令修改本節(jié)點參數(shù)、接收發(fā)送數(shù)據(jù)等；無線事件主要處理數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收；采集事件主要處理傳感器的數(shù)據(jù)讀入、封裝、發(fā)送或者接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)等。處理流程圖如此圖5所示。2.4上位機配置軟件Zigbee設(shè)備邏輯類型包括3種，分別是主節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點。對于不同設(shè)備類型的詳細處理流程，本設(shè)計編寫了統(tǒng)一的參數(shù)配置服務(wù)函數(shù)，可通過上位機軟件方便進行配置。比方，終端節(jié)點配置成具有傳感器數(shù)據(jù)的采集功能，可選擇無線和串口兩種發(fā)送方式，而對于路由器或者協(xié)調(diào)器，基于功耗考慮，則配置成不具有傳感器數(shù)據(jù)采集功能。通過設(shè)計節(jié)點上位機配置軟件ZigConfig來實現(xiàn)參數(shù)的配置，簡單的界面操作就能通過串口以上述數(shù)據(jù)格式下載到節(jié)點，并燒寫到CC2530的flash中永久保存起來，節(jié)點下一次啟動將以新的參數(shù)啟動。上位機配置軟件介紹如下：〔1〕配置軟件由QtCreator開發(fā)。QtCreator是Qt被Nokia收購后推出的一款新的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境〔IDE〕。支持的系統(tǒng)包括Linux〔32位及64位〕、MacOSX以及Windows。開發(fā)人員能利用該應(yīng)用程序框架更快速及輕易地完成開發(fā)任務(wù)?！?〕該配置軟件完成節(jié)點的設(shè)備類型、接口采集邏輯、入網(wǎng)參數(shù)等的配置?？芍苯油ㄟ^串口線與待配置節(jié)點連接，可以以通過一個中間節(jié)點對待配置節(jié)點進行無線配置，中間節(jié)點通過串口線與上位機連接。操作界面如此圖6所示?！?〕如此圖7，圖8所示，通過上位機配置軟件S1〔實物圖如此圖6所示〕可方便地對待配置節(jié)點S2進行參數(shù)配置。對于待配置設(shè)備，假如是終端設(shè)備，配置前需先按下配置按鍵，指示燈亮后，裝置即進入配置形式；而假如是路由設(shè)備或協(xié)調(diào)器設(shè)備則無需此步驟?！?〕有線配置如此圖6所示：上位機通過串口線連接待配置設(shè)備，然后配置軟件上收到待配置節(jié)點S2發(fā)送過來的設(shè)備信息，并顯示在界面上，然后點擊配置按鈕，即發(fā)送配置幀到節(jié)點S2，點擊讀取配置按鈕，則將節(jié)點S2各項參數(shù)顯示在界面上，假如節(jié)點S2是數(shù)據(jù)透傳模塊，則能夠直接接收數(shù)據(jù)或填寫目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)。配置完后再按一下按鍵，指示燈不亮，表示配置完成。能夠配置設(shè)備類型為Zigbee終端設(shè)備、路由設(shè)備、協(xié)調(diào)器設(shè)備和點對點透傳設(shè)備；能夠配置入網(wǎng)參數(shù)，比方PANID值、信道、網(wǎng)絡(luò)模型、網(wǎng)絡(luò)層次等；能夠配置傳感器發(fā)送周期，使各傳感器通道數(shù)據(jù)能夠同一周期發(fā)送，可以以不一樣周期發(fā)送等?！?〕無線配置如此圖8所示，采用一個節(jié)點作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)與上位機有線連接，通過這個節(jié)點無線發(fā)送指令到待配置節(jié)點進行配置，配置經(jīng)過中的操作步驟與有線時類似。3節(jié)點測試3.1信號強度RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)是接收端的信號強度指示，可用來斷定鏈接質(zhì)量。實際應(yīng)用中，普遍采用簡化后的Shadowing模型，即如下公式計算RSSI值。其中Pr〔d〕為接收端接收信號強度，Pr〔d0〕為參考處接收端接收信號強度，d為接收端與發(fā)送端實際距離，d0為接收端與發(fā)送端參考距離，n為途徑損耗指數(shù)，通常取2~4。取d0=1m，實測得Pr〔d0〕的值代入，并取n=3代入公式〔1〕得新的計算公式。實際測試中取兩個節(jié)點，分別設(shè)為協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點。將協(xié)調(diào)器節(jié)點固定，令終端節(jié)點遠離，終端節(jié)點參加協(xié)調(diào)器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)后，每隔1s發(fā)送一次數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)包后，從TI協(xié)議棧Z-Stack的數(shù)據(jù)構(gòu)造afIncom-ingMSGPacket_t中提取RSSI值記錄下來。100M范圍每隔5M記錄一次RSSI值，每次記錄100個值，然后取100個中的隨機值和平均值分別作為本次終值繪制曲線。3.1.1空曠環(huán)境下測得Pr〔d0〕=-28dbm，根據(jù)公式(2)與實際數(shù)據(jù)，繪制比照曲線。從圖9和圖10比照曲線能夠看出，隨著兩節(jié)點間距離增大，RSSI值會逐步衰減，符合一般規(guī)律。0-20m范圍內(nèi)，RSSI衰減較快，之后較為平緩。40m后信號質(zhì)量普遍較理論值平緩，可能是受硬件條件影響，誤差增大。圖9由于每次記錄取的隨機值，存在較大誤差，圖10每次記錄取100個數(shù)據(jù)的平均值，曲線較為平緩。誤差因素包括硬件設(shè)計、周邊環(huán)境影響等。3.1.2危化品物流車輛環(huán)境下采用深圳市中集集團液化氣罐(空罐)?；肺锪鬈囕v進行實地測試，測試車輛長度14m，寬度2.5m。將協(xié)調(diào)器節(jié)點放置在車駕駛座，終端節(jié)點自由放置于車廂體內(nèi)部，參加網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點。測得Pr〔d0〕=-44dbm，根據(jù)公式〔2〕和實際數(shù)據(jù)的結(jié)果曲線如下：由圖11和圖12能夠看出，在車輛環(huán)境下，節(jié)點信號普遍較空曠環(huán)境下差，這主要是由于接收節(jié)點被放進車輛箱體內(nèi)部，信號一定程度上遭到廂體衰減。大于40m距離后信號變得不穩(wěn)定，通信斷續(xù)和重連情況發(fā)生頻繁，此時RSSI值普遍82dbm，80m后屢次測試接收端均接收不到數(shù)據(jù)。3．2數(shù)據(jù)傳輸將協(xié)調(diào)器節(jié)點放置在車駕駛座，