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1、论文摘要：论文摘要：以 C8051F020 和射频芯片 CC2430 为核心设计了低功耗的无线数据采集系统，文章介绍了 ZigBee 技术、并给出了基于 ZigBee 的无线数据采集系统的组成，最后通过使用 CC2430 芯片完成了采集节点、主控单元的硬件与软件设计，实现了数据的采集和无线传输。数据采集是工业现场中应用最广的技术之一,企业在生产时需要实时监测电压、温度、压力、流量的变化。现有的采集系统大多采用预先布线，通过有线方式进行数据采集,主要存在的问题有：扩展性较差、布线繁琐、不方便对移动设备监测，不能进行临时数据采集。为此本文介绍了如何利用射频芯片 CC2430 与 C8051F020
2、 实现基于 ZigBee 的无线数据采集系统。1. ZigBee 简介简介ZigBee 是一种基于 IEEE 802.15.4 标准的无线协议，主要应用于低通信速率，低功耗设备的组网，支持 250kbit/s 的数据传输速率，可以实现一点对多点的快速组网。ZigBee技术的主要优点有省电、可靠、成本低、时延短、网络容量大、安全。 完整的 ZigBee 协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成。IEEE 802.15.4 定义了物理层和介质访问控制层协议, 网络层和安全层由 ZigBee 联盟制定,应用层根据用户自己需要,对其进行开发利用。无线通信技术上,采用免冲突多载波信道接
3、入(CSMA-CA)方式避免了无线电载波之间冲突。此外,为保证传输数据的可靠性,建立了完整的应答通信协议。ZigBee 设备为低功耗设备,其发射输出功率为 03.6dBm,通信距离为 3070m,具有能量检测和链路质量指示能力,根据这些检测结果,设备可以自动调整发射功率,在保证通信链路质量的条件下,最低限度地消耗设备能量。在组网性能上,ZigBee 可以构造为星形网络或者点对点对等网络。在每一个 ZigBee 组成的无线网络中,连接地址码分为 16bit 短地址码或者 64bit 长地址码,具有较大的网络容量1,2，3。2.系统设计系统设计数据采集系统核心控制单元采用先进的 C8051F020
4、 嵌入式单片机作为核心部件,通过CC2430 与采集节点进行数据通信，并将数据采集结果在 LCD 液晶屏上显示，也可利用RS-485 通信接口与上位机通信。数据采集节点主要是将捕捉的现场信号经转换器 ADC 采样、量化、编码后,变成数字信号传给微处理器,并无线发送数据，主控单元的主要工作是接收数据信息、进行采集节点管理、数据处理和数据管理，系统结构如图 1 所示。采集节点 主控单元图 1 系统结构框图3.系统硬件设计系统硬件设计为实现 ZIGBEE 通信，选用 CC2430 为通信处理核心器件。CC2430 是 TI 公司推出的新一代 ZigBee 无线单片机系列芯片。CC2430 除了包括
5、RF 收发器外，还集成了加强型8051 单片机、它具有 2/64/128 kB 可编程闪存和 8 kB 的 RAM，以及 ADC、看门狗等。CC2430 可工作在 2.4 GHz 频段，采用低电压(2.03.6 V)供电，待机时电流消耗仅0.2A，但灵敏度高达-91dBm、最大输出为+0.6dBm、最大传送速率为 250 kbps。CC2430 仅需添加少量的外围元件就可以完成 ZIGBEE 通信功能的硬件实现。C8051F020 是 Cygnal 公司推出的基于 CIP51 内核的 SOC 芯片，在硬件设计上它采用流水线结构，机器周期由标准的 12 个系统时钟周期降到 1 个，因此指令执行速
6、度有很大的提高。具有 64 个 I/O 引脚,每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出，可以满足本系统 IO 口需要。该芯片除了具有标准 8052 的数字外设之外，片内还集成了许多有用的模拟和数字外设及功能部件，如模拟多路开关、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器等,支持在系统编程和调试等，本系统主控单元由 C8051F020 与 CC2430 共同完成数据的收集、存储、显示，电路参见下图。图 2 CC2430 电路原理图4.系统软件设计系统软件设计ZigBee 网络支持 3 种类型拓扑结构：星形结构，网格状结构和族状结构，本系统使用星形网络实现通信，
7、网络配置一个协调器和多个终端节点，在星形网络中所有的终端设备都只与协调器通信，为实现这一功能，协调器必须知道每个采集节点的网络地址，这就需要每个节点在加入网络后把网络地址发送给协调器，协调器收到网络地址后建立地址表存储起来，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。IEEE802.15.4MAC 数据包最大长度为 127 字节，每个数据都由头字节和 16CRC 值组成，在数据传输中使用应答数据传传输机制，设置 ACK 标志位为 1 的帧会被接收器应答，如果在一定期限内未收到应答，则证明采集节点发生错误。主控单元 CC2430 软件流程图如图 3 所示。图 3 CC2430 软件流
8、程图当协调器收到信息时，根据数据的第 1 个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里；若是传感器采集的数据信息，则把该数据处理后上传到 C0851F020,待把整个监测区域的传感器数据采集完毕后，根据内部的数据做融合，并把最终结果在 LCD 上显示。当用户通过上位机监测系统发送通信请求时，单片机将有效数据通过通过串口发给上位机，用户通过上位机可以完成数据的收集、图表绘制、数据统计、数据分析等工作。5. 结束语结束语通过软硬联调,可实现数据发送与接收,并实现简单的数据统计与显示，通过串口可以将数据上传至上位机，网络的组网及路由效果良
9、好,在短距离内,星形网络的连接通畅,各节点设备之间能实现通信.缺点是未能实现动态组网，整个数据系统必须以主控器为中心，不利于动态使用。本项目完成了无线数据采集系统整体架构设计和底层硬件的具体实现,并达到了预期要求，系统稳定性、响应速度等性能都满足实际需求。该系统可同时对多个区域进行监测，安装维护简单，可以根据具体要求在数据采集模块上进行相应传感器的扩充以完成特定数据采集。参考文献：参考文献：1李文仲，段朝玉.ZigBee 无线网络技术入门与实战M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.2蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用M.北京：北京邮电大学出版社，2006.3 ZigBee Specifica
10、tion Document 053474r13 Z. ZigBee Standards Organization, 2006.4 CC2430 Datasheet Z. Texas Instruments Incorporated, 2007.5 童长飞.C8051F 系列单片机开发与 C 语言编程M.北京:北京航空航天大学出版社,2005.6 DIGN Gang, SAHINOGLU Z, ORLIK P, et al. Tree-based data broadcast in IEEE 802154 and ZigBee networks. IEEE Trans on Mobile Computing, 2006, 5(11): 1561-1574.7 李小珉,赵志宏,郭志.ZigBee 无线传感器网络组网实验.电子测量技术,2007,30(5):147-149.8 赵妍,岳炳良,高大伟.ZigBee 无线解决方案网络层研究.计算机测量与控制,2007,15(5):689-691.9黄绪勇,刘沛,苗世洪,等.无线传感自组网在电力监控中的应用动态.电力系统自动化,2007,31(7):99-103.
