基于ZigBee技術(shù)低功耗無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸

1、研究與開(kāi)發(fā)2012年2月第31卷第2期基于ZigBee 技術(shù)低功耗無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸呂宏黃釘勁（西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院西安710032）摘要：提出一種基于ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線溫度數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)方案。結(jié)合溫度參數(shù)采集算法，設(shè)計(jì)了ZigBee 低功耗無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以標(biāo)準(zhǔn)Pt100實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集，采用掌上智能終端PDA 以及上位機(jī)計(jì)算機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。結(jié)果表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在70m 范圍內(nèi)實(shí)時(shí)傳送采集到的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功耗20mA ，時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控。關(guān)鍵詞：ZigBee ；低功耗；數(shù)據(jù)采集；傳

2、輸中圖分類(lèi)號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chǎng)常需將采集的大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)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(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的功效。在有線數(shù)據(jù)采集及傳輸過(guò)程中，存在著系統(tǒng)布線麻煩、功耗大、代價(jià)高的問(wèn)題，而采用傳統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集及傳輸方式也存在著通信協(xié)議復(fù)雜、系統(tǒng)代價(jià)高及功耗大的缺點(diǎn)。Zig-Bee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種全新的短距離無(wú)線通信技術(shù)，在智能控制、無(wú)線監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1-

7、3。ZigBee 協(xié)議是專(zhuān)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，能最大可能的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的能量，可隨時(shí)接入大量節(jié)點(diǎn)，ZigBee 設(shè)備通常只有激活和睡眠兩種狀態(tài)，電池設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)僅需幾分鐘，而且ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的通信循環(huán)次數(shù)也很少，在基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)一般使用削減功能設(shè)備來(lái)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度等數(shù)據(jù)低功耗采集及通信是一種切實(shí)可行的方案?；赯igBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件原理及軟件設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用ZigBee CC2430芯片實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，在

8、此基礎(chǔ)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(shí)結(jié)合無(wú)線移動(dòng)終端PDA 以及上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器2012年2月第31卷第2期研究與開(kāi)發(fā)溫度數(shù)據(jù)的低功耗采集及傳輸。1設(shè)計(jì)方案 ZigBee 傳輸速率是10 250kb /s，傳輸距離可達(dá)1075m ，具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)能力以及很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和實(shí)用可靠性，支持星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu)3種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。設(shè)計(jì)選取TI 公司CC2420芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。CC2420包括了24GHzDSSS 射頻收發(fā)器，其休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低成本、低功耗的要求

9、。PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不僅可以與網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)CC2430無(wú)線射頻模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，還可以與系統(tǒng)中的上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)控。通過(guò)ZigBee 開(kāi)始建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)模塊加入網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需人工干預(yù)。無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。 圖1無(wú)線溫度采集及傳輸系統(tǒng)組成2系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)21系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)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(zhuǎn)換為33V 和18V 的電源轉(zhuǎn)換濾波電路以及芯片晶振電路、巴倫電路等。在無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸工作過(guò)程中，鑒于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)往往很弱，為毫伏量級(jí)，要經(jīng)過(guò)放大電路把較微弱的信號(hào)放大到與A /D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配才能進(jìn)行觀測(cè)以及保證驅(qū)動(dòng)后續(xù)設(shè)備，同時(shí)為了排除各種外來(lái)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(hào)放大近一倍。同時(shí)增加一個(gè)外部電阻設(shè)置1 1000的增益。無(wú)線溫度采集及傳輸系統(tǒng)電路板實(shí)物如圖2所示

11、。圖2無(wú)線溫度采集及傳輸系統(tǒng)電路板22系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無(wú)線溫度采集及傳輸系統(tǒng)首先通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)動(dòng)并建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建之后其他子節(jié)點(diǎn)如終端、路由器等就可以加入該網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描，根據(jù)掃描結(jié)果選用一個(gè)沒(méi)有被其他網(wǎng)絡(luò)使用的空閑信道，同時(shí)規(guī)定Cluster-Tree 的拓?fù)鋮?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(jī)與PDA 之間的通信，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)程序流程圖如圖3所示。圖3網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)程序流程ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)完成的功能包括：發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、接收協(xié)調(diào)器的控制等。數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4所示。圖4數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)程序流

12、程95研究與開(kāi)發(fā)2012年2月第31卷第2期終端溫度采集節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題會(huì)直接影響到系統(tǒng)的壽命，CC2430的微處理器內(nèi)核采用8051，終端節(jié)點(diǎn)在休眠計(jì)時(shí)情況下不會(huì)接收及處理父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，所以不能通過(guò)父節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行休眠喚醒。即終端節(jié)點(diǎn)如果在休眠狀態(tài)下還能夠接收數(shù)據(jù)，那么節(jié)點(diǎn)仍然處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)最終將終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)采集與節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制結(jié)合起來(lái)，采用休眠定時(shí)的方式對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠喚醒。設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)在溫度數(shù)據(jù)采集完成之后將數(shù)據(jù)向其父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)成功后終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)休眠計(jì)時(shí)時(shí)間到，終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始下一輪的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送過(guò)程，可有效降低無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的功耗

13、。對(duì)設(shè)計(jì)的低功耗無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)分別進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試和星形網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果傳輸距離傳輸方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸路由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)距離中轉(zhuǎn)傳輸發(fā)送次數(shù)接收次數(shù)中轉(zhuǎn)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(wú)間斷500500正常，無(wú)間斷50050040m正常，無(wú)間斷500500正常，無(wú)間斷5005003結(jié)束語(yǔ)根據(jù)ZigBee 的無(wú)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(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路，同時(shí)進(jìn)行了無(wú)線數(shù)據(jù)

14、采集系統(tǒng)的核心軟件設(shè)計(jì)。采用ZigBee 模塊作為網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)終端采集的溫度數(shù)據(jù)，PDA 無(wú)線終端實(shí)時(shí)顯示子模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并和上位機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的休眠機(jī)制達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)功耗的目的。進(jìn)行室內(nèi)室外的溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在簡(jiǎn)單路由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸中節(jié)點(diǎn)距離大于70m 時(shí)，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(shí)，數(shù)據(jù)傳輸及中轉(zhuǎn)正常，丟包率為0。結(jié)果表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在70m 范圍內(nèi)實(shí)時(shí)傳送采集到的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功耗20mA ，時(shí)間同步精度較高。參考文獻(xiàn)1戴善溪，張效民基于ZigBee 技術(shù)的數(shù)字式溫濕度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)J 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2010

15、，29（2）：47-492李風(fēng)保，李凌無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述J 儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，8（26）：559-5613周嶺松，余春暄基于ZigBee 技術(shù)的溫、濕度控制系統(tǒng)J 電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（6）：47-504彭瑜低功耗、低成本、高可靠性、低復(fù)雜度的無(wú)線點(diǎn)通信協(xié)議-ZigBee J 自動(dòng)化儀表，2005，26（5）：1-45卿曉霞，王文章，王波基于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)孤立點(diǎn)減免算法J 儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（7）：1650-16566周洪偉，羅建，王韞，等外場(chǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30（4）：66-687王玲芝，李春茂，袁立行基于ZigBee 技術(shù)的高壓設(shè)備溫升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J 測(cè)控技術(shù)，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(shè)計(jì)J 制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（1）：60-629宋蟄存，陳寧，李迪飛ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J 自動(dòng)化儀表，2011，32（4）：50-5210孫學(xué)巖基于Zig