基于ZigBee的無線數據傳輸系統

高佳雋，仇國富

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

0 引言

相比較其他的一些短距離無線傳輸技術，ZigBee技術具有低功耗、低成本、低速率、短延時、免執照頻段等特點，能夠應用于數據量傳輸較小的工業控制領域。在實際的工業現場，由于ZigBee使用的是2.4GHz的免費頻段，頻率高導致其穿過障礙物的能力較低，視距內的傳輸距離太短，往往需要組建一定規模的無線局域網，如何組建無線網絡是必須解決的首要問題。

本文提出了一種自組織局域網的無線數據傳輸系統，最多的跳躍點數是3個，跳點太多會造成數據延遲性相應的增加［1］。Chipcon As公司的CC2420，是首款符合2.4GHz頻率、IEEE802.15.4標準的ZigBee無線收發器，也是第一款適用于ZigBee產品的RF器件，性能穩定且功耗極低［2］。主控制器使用TI公司的MSP430F149芯片和CC2420組成網絡中的協調器以及各個節點，給出了系統的硬件、軟件結構設計。

1 總體結構設計

系統主要由上位機、ZigBee節點、ZigBee協調器三部分組成如圖1。上位機是在Visual Basic6.0平臺基礎上開發的，該平臺擁有的圖形用戶界面(GUI)和快速應用程序開發(RAD)系統，可以很容易使用ADO，DAO，RDO控件連接數據庫，對上位機接收的數據進行處理。ZigBee節點主要用于現場數據采集，簡單處理數據，而且部分節點還具有路由的功能，可增加系統數據傳輸的距離和可靠性。ZigBee網絡這種多節點有序的特點可以穩定的傳輸數據，組成一個容錯性較好的采集系統。

圖1 系統結構圖

采用部分網狀拓撲結構，不是所有的節點都可以互相通信，它的優點是可以把網絡的覆蓋范圍成幾倍地擴大。系統中使用的CC2420收發器，每兩個之間的無障礙傳輸距離為70～80m，因為多個節點可以作為路由器使用，所以網狀拓撲結構就令整個網絡無最大通信距離的限制。例如在圖1中，節點7可以通過以下路徑把數據傳送至PC上位機:7—2—協調器—PC，還有一條是7—2—1—協調器—PC，這是為了防止一條路徑不通而影響整個系統的正常工作，還可以有效的避開障礙物之類的因素［3］。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee節點

ZigBee節點的功能是采集現場的數據，并將數據傳送至ZigBee協調器，最終上傳至PC上位機。ZigBee節點主要由傳感器模塊、MCU模塊、ZigBee收發模塊、存儲模塊以及供電模塊五部分組成，如圖2所示。

圖2 ZigBee節點框圖

傳感器模塊主要是采集現場數據，可以根據現場需要使用不同的傳感器采集數據；MCU模塊選擇MSP430F149單片機，該芯片是16位處理器，自身內置12位精度的A/D轉換模塊，傳感器得到的模擬信號可以直接傳送給其進行AD轉換，不用專門設計A/D轉換電路。另外有四種模式LPM1、LPM2、LPM3、LPM4寫程序時可以調用不同的模式達到理想的低功耗效果［4］。兩個串口可用，一個作為RS232接口，另一個SPI工作方式與無線模塊數據通信。JTAG提供下載程序的接口，指示燈為芯片上電指示。存儲模塊使用AT24C08，具有8kB的數據存儲容量，加上單片機自身60kB Flash的容量滿足數據存儲需要，通過I2C總線與單片機連接，能快速、準確的存儲和讀取數據。ZigBee收發模塊選擇CC2420，CC2420具有低功耗、高抗干擾能力、獨立的發送接收緩存、外部組件很少、對802.15.4MAC的硬件支持和硬件安全等特點，這些為硬件和軟件設計提供了很大的方便。由于節點一般是分散在現場的各個地方，所以選擇電池作為統一供電電源，而單片機和ZigBee無線模塊使用的電壓為1.8V～3.3V，所以使用兩節1.5V電池串聯提供3V的電源。

2.2 ZigBee協調器

ZigBee協調器的功能是負責組建本無線網絡，允許各個節點加入與退出網絡，以及把各個節點發來的數據上傳至PC上位機。與節點組成一樣，只是少了一個傳感器模塊，如圖3所示。

圖3 ZigBee協調器框圖

3 系統軟件設計

3.1 協調器軟件設計

協調器承擔整個ZigBee網絡的組建，并和PC上位機通信，其工作流程如圖4所示。

圖4 協調器軟件流程圖

3.2 節點軟件設計

ZigBee節點有兩種:帶路由功能的節點和不帶路由功能的節點。前者比后者多了能夠把數據包傳遞到下個節點的功能，在這里給出前者的工作流程，如圖5所示。

圖5 路由節點軟件流程圖

3.3 上位機

上位機功能:1)給ZigBee網絡發命令，如讀取某個節點的數據或者網絡中所有節點的數據等，2)能夠對讀到的數據進一步處理，如數據包包含了幀頭、網絡PANID、各個節點短地址、現場數據、校驗碼、幀尾等，把這些數據區分開來，放到對應的位置。選擇VB編程界面設計上位機，VB是比較成熟、快速的上位機開發工具，其可視化界面簡便實用，而且有專門和數據庫連接的控件，方便數據處理［5］。

4 結語

系統結合了MSP430單片以及ZigBee的特點，提供了低功耗、低成本的無線數據傳輸解決方案。網絡還具有自修復能力，節點的斷開與加入網絡都可以自動實現，容錯性好，電源的設計考慮到ZigBee技術的分布性選擇使用電池，可以持續使用6～24個月［6］，傳感器模塊更換一下，就能夠應用到其他領域，對于數據傳輸量不大，實現遠距離控制的工業現場是不錯的選擇。

［1］徐志，陳彬兵.自組織ZigBee網絡節點通信研究［J］.通信技術，2009，42(12):128-131.

［2］Chipcon As SmartRF CC2420 Prelininary Datasheet(rev1.2)，2004.

［3］彭燕.基于ZigBee無線傳感器網絡節點的研究［J］.現代電子技術，2011，34(5):49-51.

［4］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［5］孫學巖.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室測控系統［J］.儀表技術與傳感器，2010，(8):47-49.

［6］吳光榮，章劍雄.基于CC2430的無線傳感器網絡的實現［J］.現代電子技術，2008，(12):121-124.