一種基于ZigBee協(xié)議的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：動態(tài)數(shù)據(jù)采集有著采集范圍大、采集點眾多、數(shù)據(jù)通信困難、布線空間有限、自動作業(yè)等特點，傳統(tǒng)的以總線方式組成網(wǎng)絡的采集系統(tǒng)很難滿足這種應用要求。在此動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計充分借鑒無線傳感器網(wǎng)絡設計思想，探討一種基于ZigBee協(xié)議無線傳榆的設計方案，具有低功耗、靈活性強、可擴展好、體積小、成本低等特點，解決了傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)的設計瓶頸，并具有新的優(yōu)異特性。
關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡；動態(tài)數(shù)據(jù)采集；TinyOS

O 引言
    數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段，作為信息科學的一個重要分支，數(shù)據(jù)采集技術(shù)是包括了傳感器技術(shù)、信號處理、數(shù)據(jù)通信、微型計算機等技術(shù)的一門綜合應用技術(shù)。在實際應用中，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往很難實現(xiàn)對動態(tài)目標進行實時采集和監(jiān)控。對動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，有著采集范圍大、采集點眾多、布線空間有限、體積小、自動作業(yè)等特點，傳統(tǒng)的以總線方式組成網(wǎng)絡的采集系統(tǒng)很難滿足這種應用要求。
    在此探討的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由動態(tài)數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成，以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡。節(jié)點軟硬件設計借鑒無線傳感器的節(jié)點設計思想，采用MSP430系列微處理器芯片和FLASH芯片分別作為處理和存儲單元；采用USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232BM完成MSP430的BSL下載電路和MSP430與PC的串行通信接口；采用CC2420模塊完成了支持802.15.4／ZigBee協(xié)議的無線通信模塊設計。開發(fā)出的硬件平臺既可以作為終端采集節(jié)點，又可以作為通信網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。軟件系統(tǒng)設計上，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS到MSP430微處理器，使用nesC語言編寫應用程序。系統(tǒng)以溫度作為采集變量，建立了一個具有采集溫度數(shù)據(jù)、預處理、打包無線傳輸功能的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點的設計。并利用終端節(jié)點的PC接口實現(xiàn)網(wǎng)關的功能，完成網(wǎng)關應用程序設計。

1 節(jié)點設計
1．1 節(jié)點的一般結(jié)構(gòu)
    一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計包括了傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元和電源管理單元，以及用戶接口等一些擴展設計單元，如圖1所示。


1．2 節(jié)點設計的要求
    節(jié)點設計主要有3點要求。第一，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集對象往往是目標的溫度、濕度、速度等參數(shù)，整個系統(tǒng)需要在無人環(huán)境下長期正常工作，因此低功耗設計是動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首要要素；第二，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理數(shù)率較低、數(shù)據(jù)傳輸量少、主要采用無線傳輸?shù)男问?，因此選擇無須許可的、合適、低價的通信方式是保證動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作的關鍵。第三，本系統(tǒng)采集的對象主要是針對飛禽走獸等野生動物，為了實現(xiàn)監(jiān)控的方便，采集節(jié)點還必須要滿足體積小、靈活性強等特點。
1．3 節(jié)點硬件設計
    目前，2種典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究平臺是mica系列和telos系列節(jié)點，它們采用目前應用最廣泛的TinyOS嵌入式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的節(jié)點硬件是設計參考telos平臺，是telos平臺一次再設計過程。系統(tǒng)設計弱化傳感器部分的設計，對無線通信模塊選用射頻模塊電路，設計重點在微處理器模塊地電路實現(xiàn)上。同時，為了增加動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用性，添加了PC接口電路，使得本設計可以作為動態(tài)終端節(jié)點，亦可以作為服務器的網(wǎng)關。在電源管理上，當設計作為網(wǎng)關時選擇USB供電，當作為終端可用干電池供電。
    (1)通信模塊采用TI公司的支持IEEE802．15．4協(xié)議的CC2420芯片，250 kb／s的數(shù)據(jù)收發(fā)速率可以使節(jié)點更快的完成事件的處理，快速休眠，節(jié)省系統(tǒng)能量。
    (2)采用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430。
    (3)telos本身就有SHTll溫濕度一體化器件，能夠作為獨立的傳感器節(jié)點使用。
    (4)telos只有1個10腳的接口，可以簡化連接傳感器板。
    (5)使用USB-COM的橋連接，可以直接通過USB接口供電、編程和控制，進一步簡化外部接口。
    本系統(tǒng)設計的節(jié)點硬件原理框圖如圖2所示，與無傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計相比，結(jié)構(gòu)上具有一致性，同樣具有采集單元、處理和控制單元、無線通信單元和電源管理單元。


    節(jié)點硬件實現(xiàn)電路如圖3所示。


1．4 節(jié)點軟件
    在此節(jié)點采用目前應用最廣泛的TinyOs嵌入式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。TinyOS的程序采用模塊化設計，程序核心都很小，一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)在400 B左右。TinyOS的組件有4個相互關聯(lián)的部分：1組命令處理程序句柄、1組事件處理程序句柄、1個經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀和一組簡單任務。任務、命令和事件處理程序在幀的上下文中執(zhí)行并切換幀的狀態(tài)。為了易于實現(xiàn)模塊化，每個組件還聲明了自己使用的接口及其要用信號通知的事件，這些聲明將用于組件的相互連接。如圖4所示為一個支持多跳無線通信的組件集合與這些組件之間的關系，上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件對上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生，最低層的組件直接和硬件打交道。



2 系統(tǒng)軟件測試
    在軟件系統(tǒng)設計上，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS到MSP430微處理器，使用nesC語言編寫應用程序。系統(tǒng)以溫度作為采集變量，建立了一個具有采集溫度數(shù)據(jù)、預處理、打包無線傳輸功能的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點的設計。
    在驗證應用程序代碼時，因使用熱敏電阻調(diào)試麻煩，選用精密可調(diào)電阻代替熱敏電阻，如圖5所示，電阻值容易控制和調(diào)整，使結(jié)果具有更大可觀察性。


    如上圖所示，采集的模擬信號量是電阻R110兩端的電壓值，為了觀察的方便，在測試程序中對數(shù)據(jù)進行標度變換等初步處理，使得在PC上顯示的數(shù)據(jù)信息直觀地表示為R110兩端的電壓值。由于精密電阻值最大為10 kΩ，R110=10 kΩ。Vcc=3．1 V，AD參考電平為2．5 V，使得R110兩端電壓只能在1．5～2．5 V之間測量，選擇的測量范圍為1．6～2．4 V。
    只要知道當前可調(diào)電阻R_adj的電阻值，如下公式所示就可以得到ADC5的電壓值：
    VADC5=Vccin[10 kΩ／(10 kΩ+R_adj)]          (1)
    由于終端設計是采用無線模塊發(fā)送的，PC必須通過網(wǎng)關才能得到PC顯示結(jié)果(PC上可以觀察范圍為1．5～2．5 V)。在終端機上，同樣用3個LED來表示電壓量的變化，選擇參考電平為1.6 V為參考零點，變化時LED顯示變化一次。如表1所示，需要注意的是只有測量值在1.6～2.4V之間LED指示值才正確。


    在無線模塊數(shù)據(jù)信息的發(fā)送中，設定每隔1 000 ms發(fā)送一次。因此每過1 000 ms，串口收發(fā)指示燈將指示一次，同時在PC上更新一次數(shù)據(jù)信息。
    PC監(jiān)聽的結(jié)果如圖6所示。圖中“7D 04”之后的4個數(shù)字為電壓值，例如FF FF 04 7D 04 16 47 01 OO中的16 47表示當前R110兩端電壓值為1．647 V。


    為了對比測量結(jié)果的正確性，同時用萬用表測量R110兩端電壓值。如表2所示，PC監(jiān)聽值與萬用表測量值很接近。

3 結(jié)語
    動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分借鑒無線傳感器網(wǎng)絡的設計思想，著重探討數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件的設計，完成了硬件模塊的劃分、芯片的選型、軟件系統(tǒng)，并實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議的無線傳輸，實現(xiàn)的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有低功耗、擴展性好、靈活性強、成本低等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以達到的特性。