ZigBee协议在动态数据采集系统中的应用.doc

ZigBee协议在动态数据采集系统中的应用动态数据采集有着采集范围大、采集点众多、数据通信困难、布线空间有限、自动作业等特点，传统的以总线方式组成网络的采集系统很难满足这种应用要求。在此动态数据采集系统的设计充分借鉴无线传感器网络设计思想，探讨一种基于ZigBee协议无线传榆的设计方案，具有低功耗、灵活性强、可扩展好、体积小、成本低等特点，解决了传统的采集系统的设计瓶颈，并具有新的优异特性。数据采集是获取信息的基本手段，作为信息科学的一个重要分支，数据采集技术是包括了传感器技术、信号处理、数据通信、微型计算机等技术的一门综合应用技术。在实际应用中，很多数据采集系统往往很难实现对动态目标进行实时采集和监控。对动态数据采集系统来说，有着采集范围大、采集点众多、布线空间有限、体积小、自动作业等特点，传统的以总线方式组成网络的采集系统很难满足这种应用要求。于是，在动态数据采集系统的设计中，无线通信技术有了用武之地。短距离无线通信技术的出现和发展为在智能家居内实现设备组网、管理、监控和数据传输等方面提供了有效途径。特别是新一代短距离无线通信技术ZigBee的出现，使家居智能化、无线化、网络化的实现成为可能。ZigBee技术的突出优势在于其组网能力强、功耗低，成本低，对家庭传感器网络的管理和维护提供了极大的便利。通过ZigBee无线通信技术可以实现对家居内各种传感器和终端控制器的组网控制，形成一个智能的家庭感知网络。ZigBee无线通信技术是最近几年涌现的一项热门，目前全球已有350多家国际知名企业加入ZigBee联盟组织，以推广ZigBee技术，使其成为领先的无线网络、传感、控制标准并在全球范围内应用于消费电子、能源、家庭、商业和工业等各个领域24。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4标准，这是IEEE无线个人局域网（PAN, personal area network）工作组的一项标准。ZigBee网络类似移动通信网络的CDMA或GSM网，一个ZigBee网络理论上最多可支持65535个ZigBee节点，节点间的通信距离可以从75m开展到数百米甚至几公里。在此探讨的动态数据采集系统由动态数据采集节点组成，以自组织方式构成的无线网络。节点软硬件设计借鉴无线传感器的节点设计思想，采用TI公司的低功耗微处理器MSP430系列微处理器芯片和FLASH芯片分别作为处理芯片和存储单元；采用USB转串口芯片FT232BM将USB口转换成标准串口，这样用户就可以像操作普通的串口那样来操作USB，用来完成MSP430的BSL下载电路和MSP430与PC的串行通信接口；采用CC2420模块完成了支持802.15.4ZigBee协议的无线通信模块设计。开发出的硬件平台既可以作为终端采集节点，又可以作为通信网关进行数据的收发。软件系统设计上，移植无线传感器专门的嵌入式操作系统TinyOS（TinyOS操作系统是源于伯克利分校，研究人员设计该系统是专门针对于传感器网络特点）到MSP430微处理器，使用nesC语言（NesC由C语言扩展而来，用来描述TinyOS的执行模型和结构，它是TinyOS的编程语言，也是TinyOS的开发工具）编写应用程序。系统以温度作为采集变量，建立了一个具有采集温度数据、预处理、打包无线传输功能的动态数据采集系统终端节点的设计。并利用终端节点的PC接口实现网关的功能，完成网关应用程序设计。1 节点设计1.1 节点的一般结构一个典型的无线传感器网络节点设计包括了传感器数据采集单元、数据处理单元、无线通信单元和电源管理单元，以及用户接口等一些扩展设计单元，如图1所示。 1.2 节点设计的要求节点设计主要有3点要求。第一，动态数据采集系统的采集对象往往是目标的温度、湿度、速度等参数，整个系统需要在无人环境下长期正常工作，因此低功耗设计是动态数据采集系统的首要要素，而ZigBee的最大特点就是低功耗，刚好满足系统的要求；第二，动态数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、主要采用无线传输的形式，因此选择无须许可的、合适、低价的通信方式是保证动态数据采集系统正常工作的关键，ZigBee的另一个特点就是传输的数据量不能太大。第三，本系统采集的对象主要是针对飞禽走兽等野生动物，为了实现监控的方便，采集节点还必须要满足体积小、灵活性强等特点。1.3 节点硬件设计目前，2种典型的无线传感器网络节点研究平台是mica系列和telos系列节点，它们采用目前应用最广泛的TinyOS嵌入式网络操作系统。本系统的节点硬件是设计参考telos平台，是telos平台一次再设计过程。系统设计弱化传感器部分的设计，对无线通信模块选用射频模块电路，设计重点在微处理器模块地电路实现上。同时，为了增加动态数据采集系统应用性，添加了PC接口电路，使得本设计可以作为动态终端节点，亦可以作为服务器的网关。在电源管理上，当设计作为网关时选择USB供电，当作为终端可用干电池供电。（1）通信模块采用TI公司的支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片，250 kbs的数据收发速率可以使节点更快的完成事件的处理，快速休眠，节省系统能量。（2）系统的主控核心采用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430。（3）telos本身就有SHTll温湿度一体化器件，能够作为独立的传感器节点使用。（4）telos只有1个10脚的接口，可以简化连接传感器板。（5）使用USB-COM的桥连接，可以直接通过USB接口供电、编程和控制，进一步简化外部接口。本系统设计的节点硬件原理框图如图2所示，与无传感器网络节点设计相比，结构上具有一致性，同样具有数据采集单元、数据处理和控制单元、无线通信单元和电源管理单元。 节点硬件实现电路如图3所示。 1.4 节点软件在此节点采用目前应用最广泛的TinyOs嵌入式网络操作系统。TinyOS的程序采用模块化设计，程序核心都很小，一般来说核心代码和数据在400 B左右。TinyOS的组件有4个相互关联的部分：1组命令处理程序句柄、1组事件处理程序句柄、1个经过封装的私有数据帧和一组简单任务。任务、命令和事件处理程序在帧的上下文中执行并切换帧的状态。为了易于实现模块化，每个组件还声明了自己使用的接口及其要用信号通知的事件，这些声明将用于组件的相互连接。如图4所示为一个支持多跳无线通信的组件集合与这些组件之间的关系，上层组件对下层组件发命令，下层组件对上层组件发信号通知事件的发生，最低层的组件直接和硬件打交道。TinyOS是一款自由和开源的基于组件（component-based）的操作系统和平台，它主要针对无线传感器网络（WSN, wireless sensor network）。TinyOS是用nesC程序编写的嵌入式操作系统，其作为一系列合作项目的结果。 它的首先出现是做为UC Berkeley和Intel Research合作实验室的杰作，用来嵌入智能微尘当中，之后慢慢演变成一个国际合作项目，即TinyOS联盟2 系统软件测试在软件系统设计上，移植无线传感器专门的嵌入式操作系统TinyOS到MSP430微处理器，使用nesC语言编写应用程序。系统以温度作为采集变量，建立了一个具有温度数据采集、预处理、打包无线传输功能的动态数据采集系统终端节点的设计。在验证应用程序代码时，因使用热敏电阻调试麻烦，故选用精密可调电阻代替热敏电阻，如图5所示，电阻值容易控制和调整，使结果具有更大可观察性。 如上图所示，电阻R110和R109组成分压电路，采集的模拟信号量是电阻R110两端的电压值，为了观察的方便，在测试程序中对数据进行标度变换等初步处理，使得在PC上显示的数据信息直观地表示为R110两端的电压值。由于精密电阻值最大为10 k，R110=10 k。Vcc=3.1 V，AD参考电平为2.5 V，使得R110两端电压只能在1.52.5 V之间测量，选择的测量范围为1.62.4 V。只要知道当前可调电阻R_adj的电阻值，如下公式所示就可以得到ADC5的电压值：VADC5=Vccin10 k（10 k+R_adj） （1）由于终端设计是采用无线模块发送的，PC必须通过网关才能得到PC显示结果（PC上可以观察范围为1.52.5 V）。在终端机上，同样用3个LED来表示电压量的变化，选择参考电平为1.6 V为参考零点，变化时LED显示变化一次。如表1所示，需要注意的是只有测量值在1.62.4V之间LED指示值才正确。 在无线模块数据信息的发送中，设定每隔1 000 ms发送一次。因此每过 1000ms，串口收发指示灯将指示一次，同时在PC上更新一次数据信息。PC监听的结果如图6所示。图中“7D 04”之后的4个数字为电压值，例如FF FF 04 7D 04 16 47 01 OO中的16 47表示当前R110两端电压值为1.647