基于ZigBee技术的低功耗无线温度传输系统设计

基于ZigBee技术的低功耗无线温度传输系统设计摘要:基于ZigBee无线传感器网络节点功能及温度采集参数算法,结合标准PT100输入接口,采用掌上智能终端PDA作为中继显示,设计了ZigBee低功耗无线温度数据采集及传输系统,并进行了调试和实验,实验结果表明,该系统可实现在70m范围内实时传送采集到的温度数据,系统功耗<20mA。

关键词:无线传感器网络ZigBee 低功耗温度采集
ZigBee无线传感器网络技术作为一种全新的短距离无线通信技术,在智能控制、无线监控及环境监测等领域得到了广泛应用。

在有线数据采集及传输过程中,存在着系统布线麻烦、功耗大、代价高的问题,而采用传统的无线数据采集及传输方式,也存在着通信协议复杂、系统代价高及功耗大的缺点。

在基于ZigBee的无线传感器网络中,可以由全功能设备作为Sink节点,终端节点一般使用削减功能设备来降低系统的成本和功耗,来提高电池的使用寿命。

通过研究降低ZigBee节点功耗的方法来实现低功耗温度数据采集及传输。

本文基于ZigBee无线传感器网络节点的硬件原理及软件设计方法,应用ZigBee CC2430芯片实现了ZigBee无线传感器网络温度数据采集节点的硬件及软件设计,搭建了基于ZigBee的低功耗温度数据采集及传输系统,同时结合掌上智能PDA以及上位机,在服务端实现了传感器采集温度数据的监控系统。

1 设计方案
工业现场常常需要采集大量的现场数据,并需要将采集到的数据传输到主机进行处理和分析,数据采集及传输的性能将会直接影响到整个系统的功效。

在一些情况下,数据的传输如果采用有线网络,则存在维护难、可靠性低等问题,采用基于ZigBee的无线传感器网络技术实现温度等数据采集及通信是一种切实可行的方案。

选取TI公司CC2420芯片来实现ZigBee温度数据采集系统的应用。

掌上终端PDA 数据采集系统在无线传感器网络中,不仅可以与网内其他节点通过CC2430无线射频模块实现无线通信,还可以与系统中的上位机服务器进行数据交互。

实际设计中通过掌上终端PDA中的无线通信模块ZigBee开始建立一个网络,子节点模块加入网络,组网过程是自动进行的,无需人工干预。

2 系统设计及实现
2.1 硬件设计
根据设计功能要求,无线温度数据采集系统的硬件电路按可分为温度数据采集终端电路、便携数据采集控制电路以及数据接收端电路。

其中数据采集终端电路主要包括电源模块,Zigbee无线模块,传感器接口电路,编程调试模块。

接口电路采用两个24脚排针,将CC2430所有的21个IO引脚以及电源引脚、复位引脚全部引出,串口通信电路通过MAX3232芯片来实现。

电源转换模块将5V的电压分别转换为3.3V和1.8V的电压以供系统使用。

在无线温度数据采集系统工作过程中,由于实际传感器采集到的模拟信号往往非常微弱,为毫伏量级,要经过放大才能进行观测或驱动后续设备,把较微弱的信号放大到与A/D转换器输入电压相匹配。

前端放大电路提供足够大的增益,并且为了排除各种外来的共模干扰,要保证具有足够大的共模抑制比。

系统选用的是AD620仪表放大器,需要一个外部电阻设置1～1000的增益,AD620尺寸小、功耗低(1.3mA)、精度高。

本系统中采用输出1到5伏信号的传感器,AD620将采集到的信号放大一倍。

2.2 软件设计
无线温度采集及传输系统最初由zigbee中协调器发动并且建立网络,网络创建之后其他子节点如终端、路由器等就可以加入该网络,协调器首先进行信道扫描(Scan),采用一个其他网络没有使用的空闲信道,同时规定Cluster-Tree的拓扑参数,如最大的儿子数(Cm)、最大层数(Lm)、路由算法等。

数据接收端程序主要完成数据的接收及进行与上位计算机之间的通信,数据接收端程序流程如图1所示。

节点的低功耗问题会直接影响到终端温度采集节点的寿命,节点如果在休眠状态下还能够接收数据,那么节点实际一直处于监听状态,最终采用休眠定时的方式对终端节点进行休眠唤醒。

将终端节点的传感器数据采集与节点休眠机制结合起来,设定节点在传感器数据采集之后,将数据向其父节点进行发送,发送成功后,节点进入休眠,休眠计时时间到,节点开始下一轮的数据采集及发送过程,有效降低了无线温度数据采集系统Zigbee终端节点的功耗。

3 结论
采用ZigBee模块作为网关转发子模块采集的数据。

PDA无线终端实时处理子模块发来的数据,并和上位机通信。

通过节点的休眠机制达到降低节点功耗的目的。

进行室内室外的数据采集及传输实验,实验发现,在简单路由网络中数据的传输中节点距离大于70m时,数据传输有间断,丢包率较高,距离在60～70m范围是比较稳定,距离低于
50m时,数据传输及中转正常,丢包率为0。

在点对点数据传输测试中,系统传输距离在60m范围内工作正常。

说明简单路由网络中数据的传输受到限制及干扰,没有点对点网络传输质量好。

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