基于ZigBee技术的无线数据采集系统 - 图文(5)

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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：

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上位机ZigBee协调器节点2.4GHz ISM频段Zigbee终端节点RS232Zigbee终端节点RS232RS232Zigbee终端节点RS232数据采集终端数据采集终端数据采集终端 图2.1 基于ZigBee技术的无线数据采集系统的整体结构

Fig.2.1 Whole structure of wireless data acquisition based on ZigBee technology

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

ZigBee终端节点主要完成从数据采集终端接收数据，并通过无线通信方式发送接收到的数据，或者接收ZigBee协调器节点发送的控制命令。

3、ZigBee协调器节点

ZigBee协调器节点是整个网络的发起者，管理整个网络的规模，存储有ZigBee网络中各个节点的信息。担当ZigBee网络中的协调器的角色，主要任务就是组建和维护一个网络，收集ZigBee网络中各个节点发出的信息，通过RS232接口把数据传到上位机。

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4、上位机

上位机主要用于接收ZigBee协调器节点传来的信息。主要功能就是，数据的存储和接收，数据的进一步处理和显示。

2.3 关键技术介绍

2.3.1 ZigBee 技术简介

简言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信方式。 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。主要适用于工业、家庭自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制[14, 23]。

该技术标准包括两个物理层：一个是 2.4GHz 频段，全球通用，定义了 16个独立的通信信道，传输速率 250kbps；另一个是欧洲的 868MHz 频段和美国的915MHz 频段，信道分别为1个和10个，传输速率分别为 20kbps 和 40kbps。三个频段都是免许可的 ISM 频段[15]。

物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来说，直接序列(Direct Sequence)的应用使得采用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能；MAC层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之间切换。MAC层可以使用一种削减功能设备，由于其结构简单，不需要大量的Flash、ROM和RAM等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。MAC还进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上的增长，而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点。

ZigBee 技术的主要特点包括以下几个部分[14]：

低功耗：在工作模式下，由于ZigBee技术的传输速率低，传输数据量小，因此信号收发时间短；在非工作模式下，ZigBee节点处于休眠状态。一般两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

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可靠性：ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层支持确认的数据传输模式，要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果在传输过程中出现问题可以重新发送，从而建立了可靠的通信模式。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合。

网络容量大：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。

安全性：ZigBee提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的AES-128。

2.3.2 ZigBee 网络拓扑结构

ZigBee协议定义了两种相互配合使用的物理设备——全功能设备和削减功能设备：

● 全功能设备(Full function device, FFD)，可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协调器、路由器或终端节点，具备控制器的功能，并且可以和任何一种设备进行通信。

● 削减功能设备(Reduced function device, RFD)，只支持星型结构，不能成为网络协调器或者路由器，可以与其进行通信，实现简单。

ZigBee 网络中有三种网络角色：ZigBee 网络协调器、ZigBee路由器和终端设备[26]。每一个网络只有一个网络协调器，网络协调器是网络建立的起点，负责整个网络的初始化，确定 PAN 的ID 号和通信信道。它能允许其它节点加入网络，并统筹分配短地址。网络协调器必须是FFD，还具有路由和数据转发的功能，并周期性地发出信标帧（Beacon Frame）。路由器也必须是 FFD，具有数据路由的能力。终端设备可以为 FFD 或 RFD，它是网络的叶子节点，只能与父节点通信，没有加入其它任何节点的能力。

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ZigBee有两种拓扑结构：星状拓扑结构和对等拓扑结构[15]，如图2.2所示。ZigBee网络中的ZigBee协调器（PAN协调器）是一个起网络控制中心作用的FFD。就功能而言，ZigBee协调器与扮演ZigBee路由器和ZigBee终端设备角色的FFD没有区别，只是根据构建网络的需要，ZigBee协调器这个FFD承担了控制中心的任务。当网络状态发生变化时，其他FFD也能承担起ZigBee协调器的任务。网络中每个设备都有一个64位扩展地址用于网内直接通信，如果PAN协调器为设备分配了16位短地址，则设备可以 …… 此处隐藏：2147字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……