唐敏

摘要：該文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接應用于課程教學實訓，本系統(tǒng)由若干個傳感器節(jié)點組成星型網(wǎng)絡拓撲結構，終端節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點，由協(xié)調器節(jié)點通過串中發(fā)送到PC機，然后進行統(tǒng)一的分析和處理。該系統(tǒng)也可以應用于其他領域。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）14-0042-03

Abstract： The article suggest a novel WSN data acquisition system based on Zigbee. The system is used in the teaching and experiment. The sensor nodes of the system can form the net topology architecture of star. Secondly， the information from sensor can be transmitted to PC via Zigbee and data acquisition module， and then doing analyze and deal with together. The system will be used in many fields in the future.

Key words： wireless sensor network （WSN）； Zigbee； data acquisition

1 ZigBee簡介

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低復雜度、自組織、低功耗、低成本的無線通信技術，主要應用于近距離無線連接，有自己的通信標準，能夠在若干個的傳感器之間相互協(xié)調通信。其應用領域有：家庭和樓宇自動化網(wǎng)絡；工業(yè)生產(chǎn)過程控制；安防控制系統(tǒng)；智慧商業(yè)；智慧農(nóng)業(yè)；智慧醫(yī)療等。

ZigBee也是一種標準，它有自己的通信標準，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡使用的工作頻段有2.4GHz、868MHz、915MHz。在2.4GHz頻段共有16個信道，通信速率為250kbps；在915MHz頻段共有10個信道，通信速率為40kbps；在868MHz頻段有1個信道，通信速率為20kbps?，F(xiàn)在國內主要使用2.4GHz的工作頻段。ZigBee有三種網(wǎng)絡拓撲結構：星型結構、網(wǎng)狀結構和簇狀結構。如下圖1所示，其中，全功能設備（FFD，F(xiàn)ull Function Device）和精簡功能設備（RFD，Reduced Function Device）。FFD可以當作一個網(wǎng)絡協(xié)調器來組建與管理整個ZigBee網(wǎng)絡，也可以作為一個普通的終端節(jié)點和其他的設備通信，也就是充當了路由節(jié)點的功能。但RFD設備只能作為終端節(jié)點，只能和FFD設備進行通信，通過FFD設備將自己采集的數(shù)據(jù)傳送出去。

本文采用ZigBee技術來組建無線遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并使用VS2012的Winform開發(fā)了一個基于ZigBee的無線通信控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中對傳感器節(jié)點進行溫度、濕度氣體濃度等數(shù)據(jù)進行采集，采集到的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點傳輸?shù)絽f(xié)議器節(jié)點，協(xié)議器節(jié)點通過串口傳輸?shù)絇C機，供上層進行決策。

2 ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與開發(fā)

2.1系統(tǒng)設計原理

系統(tǒng)設計原理圖如圖2所示。本系統(tǒng)中，協(xié)調器節(jié)點負責建立網(wǎng)絡，路由器節(jié)點與終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡，然后周期性地采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。在具體編程設計過程中還要考慮到節(jié)點的數(shù)據(jù)結構，系統(tǒng)中關于節(jié)點的數(shù)據(jù)結構是采用一個結構體來實現(xiàn)的，其中包含了數(shù)據(jù)包頭、尾以及所采集的傳感器數(shù)據(jù)。設計者可以根據(jù)自己設計的系統(tǒng)不同來構建自己的數(shù)據(jù)結構形式，當然較完整的數(shù)據(jù)結構還應包含校驗信息。本系統(tǒng)的所采用的數(shù)據(jù)結構定義見下文。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的微處理器采用基于ZigBee技術的CC2530芯片，CC2530集成了51單片機內核，相比于其他的Zigbee芯片，CC2530應用更廣泛。它是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。本系統(tǒng)的開發(fā)平臺使用的是 IAR + Z-stack 2007 PRO。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR7.6 + Z-stack 2007 PRO+VS2012 ，采用的協(xié)議棧為TI公司的 Z-STACK。系統(tǒng)中的采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠙C PC 上，通過人機交互方式對無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）內不同的傳感器進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，以便上層應用做出決策。

系統(tǒng)中協(xié)調器負責接收路由節(jié)點和終端節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后，通過RS232傳輸?shù)絇C機的上層應用控制系統(tǒng)，根據(jù)前面數(shù)據(jù)包設計，我們在協(xié)調器的頭文件中要定義數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結構。除了在協(xié)調器頭文件占定義數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結構，其他的的還涉及到協(xié)調器的編程、路由器的編程、終端節(jié)點的編程以及傳感器的編程，由于篇幅有限在此就不在贅述。

2.4 系統(tǒng)上層應用程序開發(fā)

系統(tǒng)開發(fā)板涉及到的編程準備好后，下面我們便要進行程序的調試與下載，并將下載到開發(fā)板上的程序運行。準備好開發(fā)板后，上層PC端我們是用VS2012的Winform開發(fā)的系統(tǒng)控制程序，通過串口與我們的開發(fā)板相連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)從開發(fā)板到PC之間的連通。本系統(tǒng)開發(fā)的串口助手使用了兩種數(shù)據(jù)顯示方式，一種是普通顯示方式如圖3所示，另一種是HEX顯示方式如圖4所示。

3 結束語

本系統(tǒng)所構建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡可以采集溫度、濕度、電壓、電流、磁場等十余種傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調器傳送給上位機進行處理，在教學實訓過程具有著很好的展示作用。本系統(tǒng)是筆者在ZigBee技術教學過程中，為高職學生設計的項目化教學實踐內容，同時還對教學內容進行了拓展，增加了上層應用開發(fā)系統(tǒng)，為不同層次的學生提供了更多的學習途徑，教學效果良好。同時本系統(tǒng)的設計思路也可以直接運用于其他物聯(lián)網(wǎng)應用領域，如安防、智能家居、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等領域。

圖4 HEX顯示數(shù)據(jù)方式

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