基于ZigBee技术的无线数据采集系统 - 图文(3)

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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]。

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1.2.1 IEEE 802.11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。IEEE 802.11b的后继标准是IEEE 802.11g，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:

? 工作在2.4GHz的ISM频段，工作频率无须申请许可。 ? 使用1Mb/s速率以达到最大限制带宽。 ? 使用快速调频（1600跳/s）技术抗干扰。 ? 采用前向纠错方式，减少传输时的干扰。

? 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。 1.2.3 IrDA通信技术[9-11]

红外通信技术（IrDA，Infrared Data Association）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

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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。 1.2.4 HomeRF[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（Wide Band Frequency Hopping，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。 1.2.5 ZigBee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IEEE 802.15.4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

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线通信技术。工作在 2.4 GHz 的 ISM频段上，传输速率为 20 kb/s- 250 kb/s, 传输距离为 10 m-75 m。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 …… 此处隐藏：1708字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……