基于ZigBee 的数据采集系统.doc

基于ZigBee的数据采集系统摘要:鉴于ZigBee技术适合用于数据采集系统的的特点,提出了基于ZigBee的数据采集系统的设计方案,着重探讨ZigBee节点的硬件设计及其组网设计.并详细讨论了基于xbee模块的数据采集节点的硬件设计方案,组网设计中的协调器建立网络、节点加入及脱离网络的设计方法,以及数据采集系统的软件设计方法.最后通过搭建温度采集ZigBee网络的实验,证明新方案能取得良好的通信效果.关键词:ZigBee;数据采集;无线传感器网络;单片机。ZigBee是一种近距离、低功耗、低速率、低商以及服务供应商等在内的一条完整的产业链.成本的无线传感器网络,已经在许多领域得到了在其他无线通信技术不断追求高速率、远距离的同越来越多的应用,如温度、湿度、气体浓度、亮度、时,ZigBee却向着低速率、近距离的方向迈进,其压力等各种各样小数据量信息的采集,及传输可目的就是为了大幅降低无线终端的成本和功耗.以采用这种低功耗、低传输速率的无线传感器网络.在这些应用场合中,ZigBee网络与现有的各种无线1硬件设计网络相比,有着独特的优势,即低功耗、低速率、低成本.由于ZigBee设备工作时间较短,收发信数据采集节点主要由传感模块、数据处理存储息功耗较低且采用休眠模式,使得它非常省电,电模块、无线通信模块等几部分组成[1].池可使用长达6个月至2年左右.ZigBee工作在目前生产ZigBee芯片的厂商主要有美国的250kbps的通信速率,足已满足低速率通信传输的Chipcon、Freescale、英国的Jennic等公司.笔者选需要,且2.4GHz的工作频段是免费频段.用的是Digi公司的xbee模块。ZigBee联盟成立于2001年,在其创始之初,加公司早期的xbee模块、Freescale的MC13213入该联盟的有英国Invensys、日本三菱电气、美国芯片及Jennic的JN5121芯片等其他同类产品相比,摩托罗拉以及荷兰飞利浦等30多家企业.如今,它具备了集成度高、功耗低、功能强等优点,同时已有越来越多的国内外企业致力于ZigBee的研究也具有与ZigBee/802.15.4全兼容的硬件层、物理与开发,包含芯片制造商、软件开发者、终端制造层,并在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器及射频收发器;2节5号电池可以使用半年到2年时间,特别适合要求电池寿命长的应用;可编程的I/O口可连接多个传感器;内带8路A/D转换器,转换位数8位至14位可选,可以将传感器送来的模拟信号转换为数字信号;包含增强型8051内核,其每个时钟周期为1个机器周期,并具有除去被浪费掉的总线状态的方式,使得它比标准8051内核具有更快的执行时间,且还增加了1个数据指针和扩展18个中断数据采集节点硬件设计如图1所示.该芯片外接32MHz的晶振和多路电源,根据实际应用需要连接相应的传感器进行数据采集、A/D转换、数据处理,并将得到的数据经阻抗匹配网络进行处理,最终通过天线发送出去.无线收发电路如需得到好的射频性能,供电电源必须经过良好的滤波,并且与数字电路分开;在射频信号输出部分通过阻抗匹配网络,实现阻抗匹配,使到达天线的信号最强;还需要防止高频信号泄漏,避免对发射信号造成较大的干扰.数据的收发情况以及节点和网络的连接、脱离情况可以通过串行口或LCD进行观察.以上所述的基于xbee的数据采集节点的硬件设计方法具有电路简单、信号稳定、成本低的特点.图1硬件设计简化框图图2协调器建立新网络的流程图2、组网设计2.1协调器建立网络当FFD设备(FullFunctionDevice)在第1次被激活后,首先搜索其通信范围内已存在的网络,如果找到相应网络,则通过一系列对话后,该设备就可成为此网络中的普通设备[2].否则,这个FFD设备就将自己作为协调器来建立网络.而对话在协议栈的层与层之间通过服务原语来进行,原语对话过程如图2所示.协调器应用层生成的NIME-NETWORK-FORMATION.request原语发送给网络层请求建立网络,网络层再通过MLME-SCAN.request原语向MAC层请求检测信道能量及扫描信道,收到确认后,为新网络设置1个PANId(网络号),通过MLME-SET原语将PANId设置为MAC层macPANId,网络层再通过MLME-START.request原语向MAC层请求运行网络,收到确认后运行网络,网络建立成功.而服务原语明细表见表1.如果NIME-NETWORK-FORMATION.request中已指定PANId且不与已有PANId冲突,则将它设置为新网络的PANId,否则随机选择1个不为广播PAN标志符(0xFFFF)的符号作为PANId.如果选不出唯一的PAN标识符,网络层则将终止建立网络的过程.网络的建立要由网