基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)匯聚終端設(shè)計(jì)及應(yīng)用

引言

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集和匯聚是智慧城市建設(shè)過(guò)程中獲取原始數(shù) 據(jù)信息的關(guān)鍵，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)這一功能的最好選擇, 而Zigbee技術(shù)是為低速率傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議棧, 具有低成本、低功耗、易安裝、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)。本文 針對(duì)不提供充電電池或電源模塊，需要采集眾多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)且傳 輸數(shù)據(jù)量不大等需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)匯聚系 列智能終端，能夠?qū)崟r(shí)完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、匯聚等系列功能, 終端設(shè)備具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高等特點(diǎn), 后續(xù)可針對(duì)匯聚得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理等相應(yīng)操作。

基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚智能終端主要由硬件設(shè)備和上位 機(jī)管理軟件組成。硬件設(shè)備主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、透?jìng)骱蛥R聚, 設(shè)備類(lèi)型分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端三種,其中協(xié)調(diào)器負(fù) 責(zé)組建無(wú)線傳感網(wǎng)，匯總路由器和終端設(shè)備上傳的信息，進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)布信息命令，并實(shí)時(shí)顯示，動(dòng)態(tài)管理；路由器 負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)終端設(shè)備信息并進(jìn)行預(yù)處理，然后根據(jù)協(xié)調(diào)器命令 進(jìn)行上傳和對(duì)終端設(shè)備操作；終端設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行 透?jìng)?，發(fā)送本地采集的信息（例如局部范圍內(nèi)的溫濕度和人體 紅外檢測(cè)）到路由器，協(xié)調(diào)器將匯聚信息發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng)，進(jìn)行綜合處理。

1基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚智能終端設(shè)計(jì)方法

針對(duì)需要多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大， 而要求設(shè)備成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高，不便放 置較大的充電電池或者電源模塊等情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析處理和控制，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線 傳輸模塊,在區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸和管理功能, 通過(guò)設(shè)計(jì)的自組傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、匯聚、上傳信息 化平臺(tái)等系列操作。該智能終端設(shè)備根據(jù)采集數(shù)據(jù)覆蓋 范圍不同設(shè)計(jì)基本型和增強(qiáng)型兩類(lèi)。

1.1基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚基本型終端設(shè)計(jì)

覆蓋范圍在100米左右的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)終端可選擇基本 型，其設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

（1）設(shè)備選型

CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵，它同時(shí)具備數(shù)字電路與高頻電路的特點(diǎn)。CC2530是用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 的片上系統(tǒng)（SoC） 解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)； 選擇數(shù)字型傳感器，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，例 如HTZ-001 （品牌名稱(chēng)）采用AM2302數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn) 行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集，電源IC選擇AMS1117,并選用高效同步降 壓轉(zhuǎn)換器TPS62125,可針對(duì)低或超低功耗提供300 mA輸出 電流的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化；或選擇用高效率、超低功耗降壓轉(zhuǎn)換 器TPS62120,可在較高電流條件下保持平穩(wěn)高效的工作狀態(tài), 可自動(dòng)從省電模式轉(zhuǎn)為固定頻率脈寬調(diào)變（PWM）模式。

（2）核心板電路設(shè)計(jì)

核心板電路主要包括射頻電路設(shè)計(jì)和晶振電路設(shè)計(jì)。其 中，射頻電路設(shè)計(jì)采用50 Q單極子天線，由于CC2530的差 分射頻端口具有兩個(gè)端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫 電路（平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路）完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。 巴倫電路由電感（L1、L2，，3）和電容（C?、C9、C10、C11、C12）構(gòu)成。

CC2530有4個(gè)晶振，2個(gè)內(nèi)部（16 MHz RC晶振和32 kHz RC晶振），2個(gè)外部（32.768 kHz的石英晶振和32 MHz的石英晶振），石英晶振的精度高，耗電大，啟動(dòng)慢。RC晶振精度低一點(diǎn), 耗電小，啟動(dòng)快。在上電時(shí)，默認(rèn)是使用內(nèi)部的兩個(gè)晶振，因?yàn)?內(nèi)部這兩個(gè)RC晶振速度快。外部的32.768 kHz石英晶振也可以 不接。32.768 kHz晶振用于要求非常低的睡眠電流消耗和精確喚 醒時(shí)間的應(yīng)用，兩個(gè)低頻晶振不能同時(shí)上電，即不能同時(shí)起振。

（3）底板電路設(shè)計(jì)

底板電路主要包括電源部分設(shè)計(jì)、外圍接口電路設(shè)計(jì)、 指示部分設(shè)計(jì)和傳感器電路設(shè)計(jì)。其中，電源部分有三種輸 入方式，可根據(jù)不同種類(lèi)電源接入，選擇不同電源接口方案。 第一種是通過(guò)USB接口提供5 V電源，第二種是通過(guò)電源適 配器提供5 V電源，第三種是通過(guò)9 V電池供電。

接著，根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，選擇不同的電源解決 方案。第一種電源IC為AMS1117-3.3V，作用是將輸入的5 V 電源轉(zhuǎn)為3.3 V電源，給各個(gè)模塊及核心板供電，最大能提供 800 mA的電流；第二種電源IC為T(mén)PS62125,它是一款高效 同步降壓轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器針對(duì)低和超低功耗提供300 mA 輸出電流的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，3 V至17 V的寬輸入電壓范圍支 持4節(jié)干電池和1至4節(jié)鋰離子電池串聯(lián)配置及9 V至15 V供 電類(lèi)應(yīng)用，靜態(tài)電流典型值13峪,停機(jī)電流典型值350 nA。 小型2 mmX2 mm小外形尺寸無(wú)引線（SON） 8引腳封裝；第 三種電源IC為T(mén)PS62120,是一款高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，支 持最高75 mA輸出電流，2 V至15 V的寬輸入電壓范圍，支 持能量收集、電池供電和9 V或12 V的線性供電應(yīng)用，小型 SOT8PIN封裝或2 mmX2 mm小外形尺寸無(wú)引線（SON） 6引 腳封裝。

（4）協(xié)議棧軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟 件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提高系統(tǒng)性能的關(guān) 鍵所在。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于通用性及便于開(kāi)發(fā)的考慮，移植了 TI 公司的ZStack協(xié)議棧，其主要特點(diǎn)就是其兼容性，完全支持 IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系統(tǒng)解決方案。

TI的ZStack裝載在一個(gè)基于IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的工程里, IAR Embedded Workbench除了提供編譯下載功能外，還可 以結(jié)合編程器進(jìn)行單步跟蹤調(diào)試和監(jiān)測(cè)片上寄存器、Flash數(shù) 據(jù)等。ZStack根據(jù)IEEE 802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)分為應(yīng)用層、 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層、數(shù)據(jù)鏈路層、介質(zhì)訪問(wèn)層和物理層。用 戶(hù)可以使用IAR打開(kāi)工程文件SampleApp.eww后，即可查看 到整個(gè)協(xié)議棧從HAL層到APP層的文件夾分布并加以修改。 1.2基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚增強(qiáng)型終端設(shè)計(jì)方法

增強(qiáng)型終端設(shè)備是針對(duì)數(shù)據(jù)采集覆蓋范圍超過(guò)200米以 上需求而設(shè)計(jì)的，關(guān)鍵是在基本型終端基礎(chǔ)上，增加CC2591 射頻前端，使之有更遠(yuǎn)的傳輸距離和良好的信號(hào)質(zhì)量。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Layout設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它同時(shí) 具備數(shù)字電路與高頻電路的特點(diǎn)，元件布局應(yīng)盡量緊湊、美觀; 在數(shù)字信號(hào)線走線上做到自然、平滑;高頻部分包括匹配電感、 電容布局盡量獨(dú)立、避免干擾，并符合天線特性；PCB板的 尺寸為長(zhǎng)寬高35 mmX30 mmX1.6 mm,接口為6X2雙排插 針和7X2雙排插針，間距2.54 mm。接口管腳定義為T(mén)I的標(biāo) 準(zhǔn)接口。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析

為了測(cè)試基于ZigBee數(shù)據(jù)匯聚智能終端性能，設(shè)計(jì)如下 試驗(yàn)策略。首先通過(guò)實(shí)測(cè)樣本驗(yàn)證普通終端數(shù)據(jù)采集匯聚上 傳整個(gè)過(guò)程；接著采用增強(qiáng)型智能終端來(lái)測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚 上傳和數(shù)據(jù)覆蓋范圍性能；然后利用放置在移動(dòng)冷鏈物流車(chē) 上用于溫控監(jiān)測(cè)的終端設(shè)備，結(jié)合使用GPS模塊，測(cè)試遠(yuǎn)距 離數(shù)據(jù)采集匯聚終端性能。

2.1普通終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集匯聚，性能測(cè)試

利用兩個(gè)基本型溫濕度數(shù)據(jù)采集匯聚模塊，將其中一塊 作為協(xié)調(diào)器，另一塊作為終端，終端發(fā)送“LED”字符，協(xié)調(diào) 器接收，判斷是不是“LED”，如果是，則LED燈閃爍。該設(shè) 備采用8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路 數(shù)字量輸出接口和1個(gè)RS 232接口。

測(cè)試環(huán)境包括：①空曠視距；②天氣晴朗；③電源充足 （DC-5 V,供電電流100 mA以上）；④離地高度1.2 m ；⑤測(cè) 試天線2.4 GHz Antenna-10 cm,增益3 dBi ；⑥天線水平垂 直放置。

（1）通信距離及功耗測(cè)試

經(jīng)實(shí)地測(cè)量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離 120 m,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1 ；最大輸出功率10 dBm ；接收靈敏度

—97 dBm ；功耗方面：接收模式24 mA,發(fā)送模式29 mA, 低功耗模式0.4 uA。

影響傳輸距離的情況包括：①電源不穩(wěn)，供電電壓不夠, 或者輸出電流不足（本模塊供電電壓要求3?17 V,輸出電流 在60 mA以上）；②中間有障礙物，非視距由于2.4 GHz頻 段，波長(zhǎng)較短，基本上是直線傳輸，且穿透力較差，所以中

間有路面坡度、障礙物對(duì)傳輸距離影響較大（人，樹(shù)木也會(huì)遮 擋）；③模塊放置未達(dá)到要求。一般情況下，若離地間隙少于

50 cm,微波是很容易被地面吸收的，所以離地高度測(cè)試是在 1 m以上；兩模塊須在同一水平面上，高度有落差也會(huì)影響測(cè)試距離。④其他因素影響，如一般晴天會(huì)比陰雨天好。

(2)通信數(shù)據(jù)測(cè)試

在開(kāi)始測(cè)試之前，需在PC上自行安裝好以下軟件:IAR Embedded Workbench, SmartRF Packet Sniffer、SmartRF Studio7、ZTOOL、串口調(diào)試工具等，仿真器通過(guò)USB接口直 接連接到電腦端,再連到HTZ系列終端設(shè)備，可實(shí)時(shí)在線仿真、 調(diào)試。CC Debugger配置紅/綠雙色指示燈1顆，其指示狀態(tài) 如表2所示。

CC Debugger與終端模塊(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”)配 合使用，即可實(shí)現(xiàn)Packet Sniffer (協(xié)議分析儀)的功能，測(cè)試 環(huán)境如圖2(a)所示。

為方便功能測(cè)試，首先，將節(jié)點(diǎn)1配置為數(shù)據(jù)發(fā)送端, 節(jié)點(diǎn)2配置為數(shù)據(jù)接收端，連接CC Debugger與節(jié)點(diǎn)2,保 持CC Debugger和節(jié)點(diǎn)2連接，見(jiàn)圖2(b),啟動(dòng)SmartRF Packet Sniffer，在下拉菜單中選擇 “IEEE 802.15.4/ZigBee” ； 接著，點(diǎn)擊“Start”按紐，進(jìn)入Packet Sniffer界面，工具欄 下拉菜單中可選擇不同ZigBee協(xié)議版本，按發(fā)送端數(shù)據(jù)格式 進(jìn)行選擇;然后，將最下面的“Select channel”選項(xiàng)中設(shè)置“監(jiān) 聽(tīng)”的頻率值，默認(rèn)為2.405 GHz,可用鍵盤(pán)上下鍵進(jìn)行修改, 注意請(qǐng)將此值與發(fā)送端匹配；最后，點(diǎn)擊“play”即可開(kāi)始進(jìn) 行“抓包”實(shí)驗(yàn)，按下節(jié)點(diǎn)1的S1鍵開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)2 的LED燈閃爍表示接收到數(shù)據(jù)，同時(shí)Packet Sniffer得到內(nèi) 容如圖2(c)所示，測(cè)試結(jié)果顯示，可完整接收數(shù)據(jù)，未出現(xiàn) 丟包現(xiàn)象。

(a)測(cè)試環(huán)境示意圖

(b) CC Debugger 連接圖

(c) Packet Sniffer 顯示內(nèi)容

圖2數(shù)據(jù)采集匯聚測(cè)試過(guò)程

2.2增強(qiáng)型終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集和匯聚性能測(cè)試

利用兩個(gè)HTZI系列增強(qiáng)型終端，將其中一塊作為協(xié)調(diào)器, 另一塊作為終端，終端發(fā)送“LED”字符，協(xié)調(diào)器接收，判斷 是不是“LED”，如果是，則LED燈閃爍。設(shè)備采用8路模擬 量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口， 1 個(gè)RS 232 和 1 個(gè)RS 485 接口。

(1)節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試

增強(qiáng)型終端設(shè)備經(jīng)實(shí)地測(cè)量，在加功率增益的情況下有 效傳輸距離500 m,測(cè)試環(huán)境如普通型相同，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。 經(jīng)測(cè)試，影響傳輸距離的情況與基本型一致。

表3性能測(cè)試結(jié)果

( 2)節(jié)點(diǎn)通信質(zhì)量測(cè)試

同基本型測(cè)試通信質(zhì)量過(guò)程相同，Packet Sniffer顯示測(cè) 試結(jié)果：可完整接收數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；在本過(guò)程中增 加了網(wǎng)絡(luò)容量和可靠性測(cè)試，利用一個(gè)協(xié)調(diào)器和100個(gè)終端節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)通信測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)200個(gè)節(jié)點(diǎn)通 信時(shí)穩(wěn)定可靠，無(wú)丟包現(xiàn)象。

2.3放置在運(yùn)動(dòng)的冷鏈物流車(chē)上數(shù)據(jù)匯聚終端，性能測(cè)試

冷鏈管理是高端產(chǎn)品在加工、貯藏、運(yùn)輸、銷(xiāo)售等環(huán)節(jié) 保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，溫控技術(shù)是冷鏈管理的核心。將基于 ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)匯聚智能終端放置在運(yùn)動(dòng)的冷鏈物流車(chē) 上用于溫控以測(cè)試遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集匯聚終端性能，其測(cè)試性 能可視化界面如圖3所示。利用基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)匯 聚智能終端，結(jié)合運(yùn)用ZigBee、RFID、GPRS、GIS、GPS 等技術(shù)，設(shè)計(jì)完成智慧冷鏈管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控冷鏈物流運(yùn) 輸和配送環(huán)節(jié)中物品狀態(tài)，有效解決了目前冷鏈物流企業(yè)貨 況運(yùn)輸管理問(wèn)題，收到了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

(a)實(shí)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)顯示

(b)溫濕度變化曲線

(c)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上傳信息化平臺(tái)顯示

圖3數(shù)據(jù)匯聚終端設(shè)備在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中完成溫濕度監(jiān)測(cè)

3結(jié)語(yǔ)

針對(duì)智慧城市建設(shè)中涉及的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集困難和匯聚復(fù) 雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)匯聚系列智能終端 設(shè)備，利用ZigBee的低功耗特點(diǎn)，提供了基本型和增強(qiáng)型兩 種選擇模式，規(guī)劃了 800 mA、300 mA和75 mA的3種電 源處理方案，實(shí)現(xiàn)了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線采集匯聚上傳平臺(tái)等功能。 將大量數(shù)據(jù)匯聚終端設(shè)備應(yīng)用于智慧冷鏈物流運(yùn)輸進(jìn)行溫控 實(shí)時(shí)測(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和匯聚的穩(wěn)定性和有 效性，后續(xù)將加大該終端的工程應(yīng)用范圍。

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