基于ZigBee的无线测控系统设计

发布时间：2010-01-21 作者：兰建军,李宇,黄俊峰

        1　ZigBee体系结构和协议
        ZigBee共包括物理层(又称实体层) 、MAC层、数 据链路层、网络层和应用支持层5个主要层次,其体系 结构如图1所示。其工作频段均为免执照使用,传输 速率为10～250kbit/ s;在低功耗待机模式下两节干电
        池可以用6 ～24 个月; 协议免费,网络容量大,单个 ZigBee网络支持255 个设备;采用先进的AES - 128 加密算法,提供数据完整性检查与鉴权功能,并具备载 波侦听/冲突检测(CSMA - CA)方式,有很好的兼容性 能。ZigBee协议的无线网络可以有多种构造类型,在 所有的网络构造中,至少包含有协调器节点和终端设 备。协调器可以完成ZigBee协议所设置的大量服务, 终端设备仅仅实现ZigBee协议所提供服务中的最小 部分。可以采用星型网络、簇树型网络和网型网络等 多种拓扑结构。
        

        2　无线测控系统设计
        2. 1　无线测控系统总体方案设计
        无线测控系统是将现场各种设备采集的数据进行 必要的预处理后,通过无线通信方式将数据送到远程 计算机,通过报表打印、屏幕显示等方式为生产人员提 供准确数据,以便对生产过程进行分析,了解生产情 况,完成对生产过程的监督、管理和控制功能。 本方案设计了一个可适用星型网络和簇树网络的 无线测控系统方案,系统主要由协调器、路由节点、终端节点、数据服务器构成,在协调器的无线覆盖范围之 内,布置若干个路由节点和终端节点,实现网络管理和 相互通信,系统网络效果图如图2所示。协调器的任 务为接受终端节点入网,并接收终端节点的传输数据。 路由节点在簇树网中担任中继任务,主要执行网络搭 建和数据中继操作。终端节点在网络组建中担任三项 工作,控制相应的传感器进行数据采集并进行简单的 数据处理、发起加入某一路由节点的请求、通过路由节 点向协调器发送数据信息。
        

        2. 2　终端节点硬件设计
        通过不同公司的芯片参数综合比较,我们选择了 TI公司的CC2430 芯片, 其内部集成有一个8 位 MCU8051内核,此方案是一个真正的SOC解决方案, 它能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2. 4G ISM 波段应用对低成本和低功耗的要求。
        

        终端节点主要有传感器模块、显示模块、键盘模 块和CC2430模块等构成,具体的硬件电路如图3所 示。传感器模块负责粮仓区域内的温度、湿度等参 数;显示模块主要用于就地显示终端节点采集各种信 息和报警情况,为了节省I/O资源,其和单片机采用 串行方式连接;键盘模块用于在线输入参数的上下限 的报警参数,采用独立式键盘; CC2430模块主要包含 系统的MCU和无线收发模块,MCU是控制系统的核 心,无线收发模块完成数据和控制信息的无线传送, CC2430的外围模块电路,如电源、时钟、复位和天线 电路在其数据手册中已经有详细的说明,在此就不再 赘述。
        2. 3　软件设计
        本次设计的簇树网网络主要由1个协调器、3 个 路由节点和若干个终端节点组成,网络设计成静态网 络,所有终端节点设置成精简功能器件(RFD) ,路由 节点设置成全功能器件( FFD) 。
        协调器需要通过计算才能为子节点分配16位的 网络地址,设每个设备都有一个相关深度d,代表该设 备到达协调器的最小跳数。如协调器的深度为0,它 的一级子节点深度为1。在ZigBee中,节点地址Cd 的 计算可以通过式(1)完成。
     

        式中: Lm 为最大簇树深度; Cm 为最大子节点数; Rm 为 每节点的最大路由点数。
        协调器所使用的信道以及PAN ID 采用默认值, 这样协调器就不需要进行网络信道扫描等工作。当协 调器上电初始化后就进入网络监听和等待状态,当发 现有子节点入网请求后,协调器把前面计算出的地址 随机分配一个给子节点,之后向子节点发送入网确认 信息,建立连接。
        路由节点在簇树网中担任网络搭建和数据中继功 能,其集合协调器和终端节点的网络组建功能于一体, 因此其软件设计也是最复杂的。首先路由节点要提出 加入其通信范围内协调器的入网请求,这和终端节点 申请加入路由节点类似,入网请求得到协调器响应后, 会等待终端节点的加入,从而完成整个无线网络的组 建。
        终端节点上电初始化后,首先进行父节点的能 量扫描,选择能量较多的路由器作为父节点,之后发 出入网请求,得到响应后再向协调器发出应答帧,从 而完成整个网络的组建。图4给出了系统的软件流 程图。

        3　结束语
        ZigBee技术的出现填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白, 成为目前自组织无 线传感器网络的最优选择,本文通过对无线测 控系统的设计与实现,完成了小型无线传感器 网络的搭建和传感器数据传输,验证了其可行 性并取得了良好的结果。
        参考文献:
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