基于ZigBee技术的数据采集终端设计

陈光

(天津理工大学中环信息学院,天津 300380)

0 引言

ZigBee技术作为时下新兴的近距离无线传感网络通信技术,具有“距离短、功耗低、成本低、自组网”等优点[1],在工农业、军事、医疗和环境监测等领域有着普遍的应用。

ZigBee是一种低成本、低功耗、不用布线、收集数据也比较方便、适用范围较广的网络,可根据所要监控参数的需要设计相应成本、功耗、可靠、安全性的设备[2]。无线网络监控系统可以在不同的空间、不同的领域监测室内外某一片区的参数。这种监控系统有效的解决了传统有线传输方式存在的弊端,无线模块省去了不少的物力财力,同时也省去了许多麻烦。

1 ZigBee协议简介

ZigBee无线传感网络依靠ZigBee协议栈实现,和TCP/IP协议栈相似。Z-Stack协议栈分为许多层,能够清楚明确各层的来龙去脉,便于设计调试以及运用。抽象层(OSAL)是Z-Stack协议栈运行的关键层,没有OSAL层系统就不能运行,运行前软硬件需要复位,OSAL通过时间函数实现多任务处理机制,其任务处理机制如图1所示[3]。

图1 任务处理机制Fig.1 Task processing mechanism

Z-Stack是TI公司设计的ZigBee协议栈,ZigBee协议栈每一层都有一个事件处理函数,用来处理与这一层操作相关的各种事件,这样整个协议栈便会按照时间顺序有条不紊的运行。

2 ZigBee检测平台的设计与实现

CC2530芯片是Chipcon公司推出的基于IEEE820.15.4标准的ZigBee应用的片上系统,其内存版本有4种:分别是CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256,分别对应的内存是32KB、64KB、125KB、256KB[4]。RF结合了工业标准的8051MCU,是一种CC2530内置的领先转发器,有可编程的8KB闪存、两个复用接口、UART接口和SPI接口、8个通道的ADC、21个GPIO接口功能,CC2530具有不同状态的工作电源,适用于负载比较均衡的工作环境。

CC2530芯片支持2.4GHz IEEE 820.15.4 RF收发器,外接部件需要较少,接收比较灵活,能够阻止外界信息入侵,不易被影响,无线电频率规范所确定,一个工作环境一个晶振[5]。

低功率是CC2530的特性,主动模式接收24mA,主动模式发送29mA,供电模式1:0.2mA,供电模式2:1uA,供电模式3:0.4uA,宽电源电压2V～3.6V,CC2530构架如图2所示。

CC2530核心开发板如图3所示。

根据开发板PCB设计文件,制作了PCB电路板,如图4所示。

基于ZigBee协议的无线监控系统的协调器,接收终端接收到的温湿度数据,通过各个节点和串口连接传输到PC机[6]。协调器的底板PCB设计如图5、图6所示,CC2530核心板与协调器底板的安装实物如图7所示。

图2 CC2530组成构架Fig.2 CC2530 composition framework

图3 CC2530开发板Fig.3 CC2530 development board

3 系统验证

选择CoordinatorEB-Pro,把代码下载到发送端开发板A;作为协调器,通过USB接口的数据线和电脑连接。选择EndDeviceEB-Pro,把代码下载到接收端开发板B;终端设备把数据以无线的形式发送给协调器,也通过带USB接口的数据线跟PC机连接,如图8所示。

图4 PCB板主要器件焊接Fig.4 PCB board main device welding

图5 协调器底板Top Layer PCB电路Fig.5 coordinator backplane Top Layer PCB circuit

图6 协调器底板焊接器件Fig.6 coordinator backplane welding device

把两块开发板连接正确通电,在PC机上打开串口调试助手,波特率设为9600,打开串口请选择自己的端口号。接收端连网成功后会向协调器发信息,发送成功后就会在PC机端显示,运行程序如图9所示。

通过协调器把收集到的数据传输到接收终端,由串口实现调试,最终在PC机上显示实时温湿度。

图7 CC2530核心板与协调器底板安装Fig.7 CC2530 core board and coordinator backplane install

图8 外壳与实物组装通电Fig.8 shell and object assemble and electrify

4 结论

无线网络融合了网络通信技术、信息处理技术和传感器技术,它是一项高科技技术,受到人们的广泛关注,无线网络技术还会发展到更高的科技领域。

本文是对基于ZigBee协议的无线监控系统进行的设计。在ZigBee CC2530和DHT11的基础上,通过软硬件的连接调试、代码的写入实现温湿度的监测。ZigBee无线传感器网络应用前景非常广阔,ZigBee无线传感网数据采集系统的设计与实现,推进了无线网络这项高科技产业的发展,为后人在此领域的研究和发展奠定了基础。

图9 串口监视Fig.9 serial monitor

本文主要适用于监测某一领域的温湿度,比如工农业的生产控制、科学研究气象监测、军事医学等。ZigBee无线传感器网络是低功耗、低成本、短距离、不用布线、移动方便、可靠、抗干扰的无线网络,是非常实用的一项无线监测技术。ZigBee无线传感网络监控能够满足特殊领域的需求和覆盖有线监控难以涉及的范围,所以不会被限制在有限的区域,能实现全方位的监控。