基于ZigBee技术的无线数据采集系统.doc

基于ZigBee技术的无线数据采集系统.doc

《基于ZigBee技术的无线数据采集系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ZigBee技术的无线数据采集系统.doc（74页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

江苏大学硕士学位论文

摘要

数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术以及计算机技术共同构建了现代检测技术的基础。

本文在分析了数据采集系统的相关现状以及主要短距离无线通信技术的基础上，针对有线数据采集方式综合成本高、不易扩展、移动性差等缺陷，设计并实现了一个基于ZigBee技术的低成本、低功耗的无线数据采集系统。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术，工作在2.4GHz的ISM频段上，传输速率为20kb/s-250kb/s,传输距离为10m~75m，主要用于短距离无线传输，将ZigBee技术与数据采集技术相结合，具有广泛的应用前景。

本课题基于当前数据采集系统的发展要求，以工业现场数据采集为目的，通过对ZigBee技术的研究（包括技术参数、网络组织结构，ZigBee2006协议），采用基于ZigBee技术的无线单片机CC2430（SOC），设计并实现了无线数据采集节点的硬件电路。

硬件模块主要由无线传输模块和测试模块两部分组成，其中无线传输模块完成节点间的无线通讯，测试模块包括了RS232、电源、键盘及OLED显示屏，主要用于选择功能、检测网络状态等。

结合硬件电路的特点以及整个系统的功能要求，本研究开发了系统的下位机软件与上位机软件。

下位机软件包括协调器节点及一般终端节点的软件设计，建立一个低功耗、低时延的ZigBee星型网络。

上位机软件采用BorlandC++Builder6.0（简称BCB）编写，实现网络中节点监控，包括数据采集与处理，实时曲线以及历史曲线的绘制，数据保存等功能。

通过ZigBee终端节点对现场数据的采集、ZigBee终端节点与协调器节点的通信，ZigBee模块的相关参数及组网参数的测试，验证了本设计方案的正确性，说明了ZigBee技术与数据采集技术相结合可以克服有线数据采集系统的弊端。

关键词：

数据采集，无线通信，ZigBee技术，CC2430，C++Builder

ABSTRACT

Dataacquisitionisanimportantbranchofinformationtechnologyandisthefoundationofmodernmeasurementtechnologytogetherwithsensortechnology,signalprocessingtechnologyandcomputertechnology.Basedontheresearchsituationofdataacquisitionsystemandthemainshort-rangewirelesscommunicationtechnology,awirelessdataacquisitionsystembasedonZigBeetechnologywhichhasthefeaturesoflowpriceandlowpowerconsumptionwasdesignedandrealizedaimingatsolvingthedisadvantagesofhighprice,uneaseextensionandpoormobilityofwireddataacquisition.ZigBeetechnologyisabidirectionalwirelesscommunicationtechnologywiththefeaturesofshortdistance,lowcomplexity,lowpowerconsumption,andlowbitrate.Itworksat2.4GHzISMfrequency,anditstransmissionrateisabout20kb/s-250kb/s,SoZigBeetechnologyismainlyappliedtoshortdistancewirelesscommunication.DataacquisitionsystemwhichcombineswithZigBeetechnologyhasawideapplicationprospect.

Thisthesisbasedonthedevelopmentrequirementofcurrentdataacquisitionsystem,takeindustryfielddataacquiringasagoal,throughresearchingonZigBeetechnology（techniqueparameters,features,networktopologies,andZigBee2006protocol）.ItusingwirelesssinglechipmicrocomputerCC2430basedonZigBeetechnology,designsandrealizesthehardwarecircuitoftheZigBeenodes.Thehardwarecircuithastwopartsincludingwirelesstransmittingmoduleandtestingmodule.Thewirelesstransmittingmodulemainlyaccomplisheswirelessdatatransmission.AndthetestingmoduleincludingRS232circuit,powercircuit,keyboardcircuit,anddisplaycircuit,mainlyaccomplishesfunctionchoiceandnetworkstatedetection.Accordingtothecircuitcharacteristicsandthefunctionrequirementsofthewholesystem,thelowercomputersoftwareandtheuppercomputersoftwareisdesignedandaccomplishedintheresearch.Thelowercomputersoftwareincludingthesoftwaredesignofcoordinatornodeandgeneralterminalnodeinstarnetwork,realizesZigBeestarnetworkbuildingwiththefeaturesoflowpowerconsumptionandlowdelay.TheuppersoftwareprogrammingusingBorlandC++Builder6.0accomplishesthefunctionofmonitoringthenodestateinthenetworkincludingdataacquiringandprocessing,curve-drawing,data-saving,andsoon.

ThisdesignisverifiedbyfielddataacquisitionofZigBeeterminalnodes,communicationbetweenZigBeeterminalnodesandcoordinatenodes,relativeparametersandnetworkingparametersofZigbeemodules,whichsuggeststhatdisadvantagesofthewireddataacquisitionsystemcanbeovercomethroughthecombinationofZigbeetechnologyanddataacquisitiontechnology.

Keyword:

dataacquisition,wirelesscommunication,ZigBeetechnology,CC2430,C++Builder

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 IV

第一章绪论 1

1.1课题的背景 1

1.2短距离无线技术的发展现状 1

1.2.1IEEE802.11标准 2

1.2.2蓝牙技术 2

1.2.3IrDA通信技术 2

1.2.4HomeRF 3

1.2.5ZigBee技术 3

1.3基于ZigBee数据采集系统的意义 4

1.4论文的主要工作及结构 4

第二章系统总体方案设计 6

2.1系统的设计原则 6

2.2系统硬件组成 6

2.3关键技术介绍 8

2.3.1ZigBee技术简介 8

2.3.2ZigBee网络拓扑结构 9

2.3.3ZigBee协议体系结构 11

2.4Zigbee无线芯片的选取 18

2.5系统的开发方法和工具 19

2.5.1IAR开发环境 19

2.5.2C++Builder开发环境 20

2.6本章小结 21

第三章系统硬件设计方案 22

3.1ZigBee网络节点硬件设计概述 22

3.2CC2430无线单片机简介 22

3.2.1CC2430芯片的主要特点 22

3.2.2CC2430外围参考电路 23

3.3无线传输模块设计 24

3.4测试模块设计 26

3.4.1测试电路 26

3.4.2供电电路设计 27

3.4.3RS232串口转换电路设计 27

3.4.4OLED显示线路设计 28

3.5节点硬件实现 29

第四章下位机应用软件的实现 31

4.1星型拓扑网络的实现 31

4.1.1原语概念 31

4.1.2建立新网络 31

4.1.3ZigBee设备加入网络过程 32

4.1.4本设计星型网络通信的实现 35

4.2终端节点软件设计 36

4.2.1主程序设计 36

4.2.2初始化程序 37

4.2.3无线数据的收发 38

4.2.4定时中断子程序 39

4.3协调器节点软件设计 40

4.3.1主程序设计 40

4.3.2键盘扫描程序 41

4.3.3液晶驱动程序 41

4.4本章小结 41

第五章上位机应用软件的实现 43

5.1软件的总体设计 43

5.2多线程的实现 43

5.2.1多线程概念 43

5.2.2线程的创建 44

5.2.3线程的挂起和唤醒 45

5.2.4线程的终止 45

5.2.5线程的同步 45

5.3系统界面部分 45

5.4串口通信的实现 47

5.4.1串口通信的主程序 47

5.4.2初始化串口资源 48

5.4.3数据采集 50

5.4.4串口的关闭 51

5.5实时显示模块 51

5.6数据库的实现 51

5.6.1BorlandC++Builder实现数据库功能 51

5.6.2建立数据库与保存数据 52

5.6.3数据库数据的显示 53

5.7本章小结 54

第六章系统的总体调试、总结与展望 55

6.1系统的总体调试 55

6.1.1硬件测试 55

6.1.2组网测试 55

6.1.3数据通信测试 57

6.2本文总结 58

6.3工作展望 59

附录A软件源程序 60

参考文献 66

致谢 69

攻读硕士学位期间的学术成果 70

69

第一章绪论

1.1课题的背景

数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础[1]。

数据采集系统是综合利用计算机、通信、测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量，方便管理人员和现场操作者参考的系统。

在工业生产和控制中，应用这一系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流等诸多参数，在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后，所得的结果可以反馈给用户或控制系统，从而提高了产品质量、降低成本。

数据采集系统可以提供大量的动态信息，已广泛应用于地质、医药器械、雷达、通讯等领域[2]。

在数据传输方式上，分为有线传输和无线传输两种。

目前传统的数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线传输具有传输速度快、可靠性高以及运行稳定等优点，但是受到环境、应用对象的限制。

如在有些场合，如高腐蚀性、现场无法实现明线连接等环境，采用传统的有线数据传输采集系统已经满足不了数据采集与传输的需要。

再则，为一次数据采集而架设有线网络的一次性投资较大。

在这种情况下，无线方式是一种有效的替代方式。

随着射频技术、微电子技术及集成电路的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。

工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些不便布线环境下的数据采集问题，克服有线网络布线麻烦和维护困难的缺点，提高采集系统的适应性。

本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到工业现场中布线不便时对工业现场数据的采集。

1.2短距离无线技术的发展现状

短距离无线通信技术已在我们日常生活中得到了广泛的应用，目前主要有IEEE802.11、蓝牙、IrDA、Home-RF、ZigBee等[3,4]。

1.2.1IEEE802.11标准[5,6]

IEEE802.11是IEEE（电气和电子工程师协会）制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端之间的无线接入。

IEEE802.11业务主要限于数据存取。

IEEE802.11系列标准经过一段时间的发展，已经有了多个版本的标准，他们在技术和性能各有不同。

802.11a标准采用与原始标准相同的核心协议，最大的数据传输率为54Mb/s。

但是802.11a几乎被限制在直线范围内，这导致必须使用更多的接入点；传输距离没有802.11b远，因为其容易被吸收。

802.11b标准载波的频率为2.4GHz，传送速度为11Mbit/s。

在2.4-GHz-ISM频段共有14个频宽为22MHz的频道可供使用。

IEEE802.11b的后继标准是IEEE802.11g，其传送速度为54Mbit/s。

1.2.2蓝牙技术[7,8]

蓝牙（Bluetooth）是爱立信公司在1994年提出的一种短距离无线通信技术规范，采用跳频扩频技术，使用开放的2.4GHz频段。

蓝牙的数据传输速率约为1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输，其理想的连接范围为10厘米~10米，通过增大发送功率可以将距离延长至100米。

蓝牙作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:

l工作在2.4GHz的ISM频段，工作频率无须申请许可。

l使用1Mb/s速率以达到最大限制带宽。

l使用快速调频（1600跳/s）技术抗干扰。

l采用前向纠错方式，减少传输时的干扰。

l丛物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好。

同时，蓝牙的传输距离一般比较短，一个网络中最多可容纳的蓝牙节点数为8个，因而很难满足用户的要求，再次，蓝牙的成本比较高。

1.2.3IrDA通信技术[9-11]

红外通信技术（IrDA，InfraredDataAssociation）是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议，是目前使用较广泛的短距离无线通信技术之一。

通常其有效作用半径2米，传统速度可达4Mbps，同时在点对点通信时要求接口对准角度不超过30度。

而新制定的超高红外标准传输速率达到16Mbps，相比传统版本的4Mbps快了4倍，接收角度也由原来的30度扩展到120度。

红外技术具有如下的特点：

红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收均具有方向性，其具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低等。

然而，通信距离短、通信过程中不能移动、遇障碍物通信中断等缺点使IrDA的应用受到了极大的限制。

在本课题中，由于数据采集终端不固定，可以按需移动，因此采集数据有可能会因为遇障碍而中断通信，从而使数据丢失，故IrDA技术并不适合本系统的应用。

1.2.4HomeRF[3,4]

HomeRF主要为家庭网络设计，是IEEE802.11与DECT的结合，使用开放的2.4GHz频段，用于降低语音数据成本。

采用跳频扩频（FHSS）技术，跳频速率为50跳/s，共有75个带宽为1MHz的跳频频道。

调制方式为恒定包络的FSK调制，分为2FSK与4FSK两种。

2FSK方式下，最大数据的传输速率为1Mbps；4FSK方式下，速率可达2Mbps。

在新的HomeRF2.x标准中，采用了WBFH（WideBandFrequencyHopping，宽带调频）技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz跳频信道增加到3MHz、5MHz，跳频的速率也增加到75跳/秒，数据峰值达到10Mbps。

但是HomeRF网络没有密码，因而它的安全性比较差，同时它的抗干扰性比较差。

1.2.5ZigBee技术

ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信方式。

在2002年8月,由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司成立了ZigBee联盟,并于2004年12月,正式公布了无线通信技术ZigBee的1.0标准。

ZigBee协议是由IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的，其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等[12]。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。

工作在2.4GHz的ISM频段上，传输速率为20kb/s-250kb/s,传输距离为10m-75m。

主要用于近距离无线传输，应用领域包括工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等[13]。

1.3基于ZigBee数据采集系统的意义

ZigBee技术作为数据采集的技术载体，有重要的意义，它能够实现无线数据采集的优点，还具有一些特有的优点：

（1）低功耗：

在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。

（2）高度扩充性：

Zigbee可采用星状、对等网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

（3）自组织功能：

无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。

（4）自愈功能：

增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个数据采集系统仍然能正常工作。

1.4论文的主要工作及结构

本课题是多学科技术的综合运用，涉及的相关技术包括传感器技术、射频通信技术、计算机接口技术、ZigBee技术等。

在原来的数据采集终端的基础上，添加支持ZigBee协议的RF模块，研制一个基于ZigBee技术的数据采集系统。

该系统主要用于工业现场中有各种各样的数据传送，通过该系统把工业现场中采集到的数据传送到一个ZigBee协调器节点，再由ZigBee协调器节点通过有线的方式传输到总的管理中心，论文着重介绍适应于数据采集系统的ZigBee网络的构建（包括硬件平台的构建和软件的实现），以及上位机软件的实现，最后论文还给出了整个系统的测试。

本文的结构安排如下：

1.绪论：

介绍了论文选题的背景和意义，以及短距离无线通信技术的比较，阐述了论文研究的重点，介绍了论文的结构安排。

2.系统的总体设计：

介绍系统总体设计，首先确定了系统设计原则，介绍了系统的总体设计方案，并介绍了所用到的关键技术，并根据设计要求选取了系统的主要部件，以及硬件平台的介绍。

3.系统硬件设计：

针对所选方案及选定器件，完成硬件电路的连接，并对各部分电路的原理及其在系统中所完成的功能作详细介绍。

4.系统下位机应用软件设计：

根据本设计要求，选择了星型网络拓扑作为应用的底层网络。

首先介绍了星型网络的组建过程及其具体实现，接着详细介绍了ZigBee终端节点以及ZigBee协调器节点的软件的具体实现。

5.系统上位机应用软件设计：

系统软件是基于模块化的设计思路，本论文中按照所完成不同的功能设计不同的模块，给出了系统各部分模块的程序流程图。

6.系统的总体调试、总结与展望：

根据软、硬件调试的结果，以及系统整体调试的情况，完成系统的设计。

总结本论文的研究内容，针对系统在其他更高要求领域的应用，提出了一些改进完善措施。

第二章系统总体方案设计

2.1系统的设计原则

1、低功耗

考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集,因而采集的终端节点电源由电池来提供,由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便,采集节点必须具有低功耗,以确保系统在电池供电条件下能正常工作半年以上。

2、可靠性

抗干扰能力也是设计本系统时所考虑的重要因素之一,考虑到工业现场的工作条件恶劣,各种干扰因素多,以及系统结构设计、元器件选择等因素,数据将受到来自系统内部和外部的各种电气干扰,因此提高系统的抗干扰能力,从而保证系统的可靠性是设计中的又一关键。

3、自组织性,自适用性

采集终端设备位置的频繁更换和网络控制器的瘫痪等,都可能引起网络拓扑结构的变化和网络通信不畅，从而使整个采集系统停止工作等。

因此需要确保系统具有自组织性和自适用性,以适应各种复杂的场合。

2.2系统硬件组成

无线数据采集系统应用于工业环境中的数据的采集，提供一套便携式的无线通信方式，将工业环境中的相关信息及时有效的发送到管理监控中心。

整个系统由一个ZigBee协调器节点与多个ZigBee终端节点组成，其构成基于点对多点的星型网络拓扑结构，并以点对多点的形式完成信息的收发控制和数据的集中。

基于ZigBee技术的无线数据采集系统的整体结构如图2.1所示：

图2.1基于ZigBee技术的无线数据采集系统的整体结构

Fig.2.1WholestructureofwirelessdataacquisitionbasedonZigBeetechnology

本系统是一个在局部范围内采用ZigBee的无线数据传输技术，把工业现场采集到的数据收集到一个ZigBee协调器中，并由上位机实现对数据的显示和处理。

本系统包括：

数据采集终端，ZigBee终端节点，ZigBee协调器节点和上位机四个部分。

1、数据采集终端

数据采集终端主要完成工业现场电压、电流、温度等参数的采集。

2、ZigBee终端节点