ZigBee数据传输

ZigBee数据传输（精选七篇）

ZigBee数据传输 篇1

随着网络技术的不断发展,Internet几乎遍布于千家万户,借助Internet传送各种测量和控制信息,具有快速、方便、可靠等优点。以太网和TCP/IP协议已成为世界范围内的标准,基于TCP/IP协议的以太网可满足远程网络控制基本需求,因此将嵌入式系统接入网络不但成本低、可靠性高,而且还可以有效地实现现场设备层和企业管理层的无缝连接,能更好地改善故障检测和设备维护的远程访问能力。

如何对现场设备进行有效的远程网络管理成为开发嵌入式系统的一个重要方面。嵌入式系统中8位微处理器目前品种最为丰富、应用最为广泛,但以8位微处理器为核心的嵌入式系统,因其系统硬件资源有限、处理速度慢等因素,接入Internet必然会面临很多困难,如果将其排斥在外,又必将会影响嵌入式Internet的发展。

所以本文研究的以8位微处理器为核心,结合Zig Bee技术和以太网的数据传输系统设计,是一种很好的低端嵌入Internet的解决方案,实现无线传感器网络远程接入网络,实现远程监控和检测,具有一定的现实意义和一定的研究意义。

1 Zig Bee技术简述

Zig Bee技术,这个名字来源于蜜蜂通过跳Zig Zag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息,蜂群使用的生存和发展的通信方式[5]。

Zig Bee是IEEE 802.15.4协议的代名词,它是一种短距离、低功耗的无线通信技术。该技术主要是为低速率传感器和控制网络设计的标准无线网络协议栈,是最适合无线传感器网络的标准。无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统,具有低成本、低功耗、低数据速率、自组织网络等突出特点。

简而言之,Zig Bee就是一种功耗低,价格低廉的近距离无线组网通信技术。

2 数据传输系统概述

结合Zig Bee和以太网的数据传输系统,包括Zig Bee网络和以太网两部分。Zig Bee网络通过网络节点将采集数据以多跳变的方式传送到Zig Bee汇节点,汇节点将数据发送到网关,网关进行Zig Bee数据包解析,从数据包中提取有效信息数据,进行协议转换和数据包重新封装打包成TCP/IP数据包,经过以太网传输将数据送到控制中心,完成整个网络的数据传输。图1给出了结合Zig Bee网络和以太网的数据传输网络系统结构。

一个完整的数据传输系统硬件系统由微处理器、存储器、网络接口等硬件组成。微处理器负责整个系统的运行和管理,存储器用来存储程序代码和数据,网络接口实现与网络的连接。

网关是建立在传输层以上的协议转换器[4],是网络传输的纽带,连接Zig Bee和以太网两个相互独立的网络,实现Zig Bee和以太网之间的数据传输。从系统结构图可抽象出结合Zig Bee和以太网的网关结构,如图2所示。

3 设计的整体思路

本系统设计中要设计实现网关和终端节点两种硬件实物,其中网关的设计较为复杂,是本设计的重点。设计中网关的设计思想是采用Zig Bee芯片中集成的8051内核作为主处理芯片,与以太网控制芯片相结合,将Zig Bee传感器网络采集的数据与外部网络互联,实现数据在不通网络中传输。

请求和控制信息从以太网的网络中传来,经过RJ-45接口送到以太网控制器中,以太网控制器主要是将接收到的数据包进行解析,得到原始的请求和控制消息,并送到微处理器中,微处理器根据相应请求进行处理,将处理后的消息再通过相反的过程传到以太网网络中,最后反映给用户。

终端节点设计是利用Zig Bee芯片的I/O口外接传感器,并辅助设计它的外围电路,编程口,电源供电等电路。设计中主要是设计并验证系统的可行性及正确性,传感器类型的选择可以根据不同的应用需求选择和改变相应的传感器,增加系统的通用性。

设计的目标是实现Zig Bee网络的数据包转换为以太网的TCP/IP协议的数据包,数据在两个网络之间的透明转换和传输。具体工作是设计结合Zig Bee和以太网的无线网关和Zig Bee终端节点,搭建小型无线温度采集传输系统,验证网关可靠性和数传系统结构的可能性,最后对该数据传输系统进行分析。

基于系统对芯片的优越性比较,我们Zig Bee芯片可以选择TI公司的CC2430芯片,以太网控制芯片选取控制芯片RTL8019AS。

4 网关设计

通过对Zig Bee和以太网两块芯片的工作方式的分析,本系统的硬件接口采用8位的数据总线方式。鉴于CC2430的I/O的限制和系统设计的整体的成本的考虑,采用口线模拟的方式来实现数据的读取。

C2430有21个数字I/O口,能够配置为通用的I/O口、计时器或串行通信口,输入的上下拉能力以及外部中断功能。作通用的I/O口时,可分配成3个8位的I/O口,分别命名为P0,P1和P2。P0和P1为完全的8位数据口,而P2口只有5位可用,所有的I/O口通过特殊功能寄存器,既可以位寻址也可以字节寻址。CC2430提供的三个I/O口,分别作8位数据,地址和控制。具体分配如下:

数据总线:P0口(P0.0~P0.7)

地址总线:P1口的低5位(P1.0~P1.4)

读信号线:P2.2,通过该引脚实现对芯片内部程序和数据的读操作;

写信号线:P2.1,通过该引脚实现对芯片内部程序和数据的写操作;

中断口:P2.0为中断的申请信号线,作为RTL8019AS的中断申请信号端口。

RTL8019AS使用的是跳线的方式,它的外部接口形式已经选定为数据地址总线方式,而CC2430没有提供数据地址总线口,而只提供了普通I/O口功能,UART串行接口以及SPI的总线模式[3]。在不增加外围器件的前提下,本设计选用了口线模拟的方式,用软件的方式来模拟数据总线的读写时序,这样节约了硬件成本。

5 终端节点设计

本设计采用温湿度传感器在室内环境中进行数据采集,考虑到传感器的体积大小、成本、测量精度等因素,选用了较为常见的温湿度传感器DS18B20。

终端节点的作用是通过Zig Bee传感器网络采集现场温度或数据,它传输数据的方式是依托Zig Bee网络的数据跳变传输模式传递。终端节点的设计是利用Zig Bee传感器芯片CC2430,外接温度传感器DS18B20采集数据,通过节点传输到以太网网关进行数据的汇总,数据格式的转换在以太网进行数据的传输。

温度传感器DS18B20负责测量环境温度,并对采集的数据进行处理。测量时,首先发送测量命令,传感器收到应答后等待测量,之后会依照先读取高字节后读取低字节的规则进行数据采集。传感器DS18B20将处理好的温度数据以整数型的形式存储到控制芯片CC2430的数据存储区,Zig Bee再通过无线方式将所采集的温度值发送到协调器或汇节点。在本设计中,终端节点通过Zig Bee网络进行跳变传输数据,信号经空中无线传输到网关上的Zig Bee芯片上,在CC2430进行存储,数据在片上8051内核处理后进入数据到以太网的发送流程,后面的处理工作是网关的主要作用。

6 软件设计

通过上述的研究及设计,本设计中的网关实现数据在两个不同类型的网络之间的传输,要把传输的数据用两种协议实现各自的打包和解包,并在两个网络中进行传输。网关的程序设计包含Zig Bee和以太网数据的打包和解包程序,以及相关设备的初始化和中断程序。系统的主流程图如图3所示:

主程序在初始化以后就进入等待接受中断请求,判断请求后进入各自的中断服务程序中,分别处理Zig Bee数据的发送请求和TCP/IP的数据的发送请求。

当Zig Bee网络中的终端节点通过无线方式发送Zig Bee数据包到网关时,网关产生终端请求,调用接收Zig Bee数据包函数,经MCU处理后解包出Zig Bee数据,再通过以太网部分,实现数据到TCP/IP的打包封装,发送到以太网芯片进行处理,把数据写到RTL8019相应的数据区,然后启动RTL8019发送TCP/IP数据包。将数据包发完以后,重新设置标志位和中断控制,返回等待中断状态。

同样的,上位机要读取Zig Bee某个终端节点的数据时,验证IP地址正确,网关接受TCP/IP命令数据包,把TCP/IP数据解包后取出有用的命令数据,把数据打包成Zig Bee数据包,通过无线方式发送Zig Bee数据包到Zig Bee网络终端节点。这样就网关就完成了TCP/IP数据包到Zig Bee数据包的转换。

7 数据传输系统的实现

本设计搭建一个简单的无线温度采集网络实验平台。在这个平台上,能够传输温度传感器采集的温度,经Zig Bee网络节点跳变传输,汇接到网关进行数据格式的转换并在上位机上显示温度值。在实际系统验证过程中为了简化网络,减少节点数量,利用4个终端节点和1个协调器组成较为简单的链路网络进行网络验证。系统验证部分主要验证通信系统的可靠性,免去数据库建立和连接等过多的上位机工作,突出数据传输系统的设计工作内容。

8 结束语

本文研究设计了一种数据传输途径基于Zig Bee技术及以太网结合的数据传输系统,给出一种无线传感器网络节点的设计,探讨了系统的采集、传输、处理的整个流程,成功实现了网络数据的处理。Zig Bee网络的覆盖范围一般为几十米,但是可以通过网关与其他网络(例如以太网)进行连接,从而达到扩大网络覆盖范围或远程监控的目的,这将使得Zig Bee优良特性得到更好的体现,使得它有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]Garcia L R,Barreiro P.Performance of ZigBee-basedwireless sensor nodes for real-time monitoring of fruitlogistics[J].Journal of Food Engineering,2008,87:405-415.

[2]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[3]齐楠,韩波,李平.基于ZigBee的智能家庭无线传感器网络[J].机电工程,2007,24(3):20-22.

ZigBee数据传输 篇2

近年来,无线网络技术和物联网技术发展迅速,成为很多国家研究的重要课题。Zig Bee无线网络技术是其中的重要一员,可广泛应用在智能楼宇、智能家居、森林防火等领域。

2 Zig Bee网络拓扑及设备类型

在Zig Bee无线网络中,网络拓扑结构大概有3种类型:星状网络结构、树状网络结构、网状网络结构。

文中主要研究树状网络结构。在树状网络结构中,有3种节点类型:汇聚节点(又叫协调者),路由节点和终端节点。从图1中可以看出,在整个网络中,只有一个汇聚节点,有少量的路由节点,其余都是终端节点。

Zig Bee汇聚节点是建立和配置网络的节点,在整个网络中只有一个。汇聚节点可以保持间接寻址用的绑定表格,可以支持关联和执行其他任务。

Zig Bee路由器是一种数据转发节点,能够将收到的数据转发到其他节点。在Zig Bee树形网络中可以有多个路由节点。

Zig Bee终端节点可以执行节点的相应功能,并可与其他功能设备相连,将其他设备的功能纳入到网络中。它的存储器容量要求最少。然而需要特别注意的是,网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。NWK支持的网络拓扑有星型、树型和网格型。在这几种网络拓扑中,星型网络对资源的要求最低。

3 组网过程

3.1 设备建立网络

在一个Zigbee网络中,只有汇聚节点才能建立网络。在建立网络的过程中,所有的操作都是由原语来实现的。首先汇聚节点的应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语,向网络层发出建立网络的请求,网络层收到这个请求之后,就向其下层的MAC层发出信道能量扫描的要求,MAC层便调用MLME_SCAN.request,找到信道能量低于设定能量值的可用信道,然后在可用信道中搜寻Zigbeee设备,找到一个最好的信道,通过记录的结果,选择一个信道,该信道存在最少的Zigbee网络,最好是没有Zigbee设备。

找到了合适的信道后,将随机选择一个PAN,它是可以识别一个特定Zigbee网络的标识号,不与原来的冲突,如果没有找到,也通过原语告诉上层结果;如果找到了,就通过原语在MAC层注册这个ID号,作为新建立的无线网络的网络号,并发送MLME_START.request原语,获取PAN ID和信道扫描结果,并通过confirm原语发送给上层。

收到PAN开始的状态,NLME将告知应用层,它要求的建立网络的状态,这通过NLME_NETWORK_FORMATION.confirm原语实现。如图2是协调者建立网络过程图。

3.2 设备加入网络

在Zigbee汇聚节点建立网络之后,路由节点或终端节点可以加入汇聚节点建立的网络,它们加入网络的方式有两种:一种是关联方式;另一种是直接方式。主要研究通过关联方式加入网络。

对于子节点,也就是要加入到网络中的节点,首先子结点调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语,设定将要扫描的信道,以及每个信道需要扫描的时间;子结点的网络层收到这个原语后,便要求MAC层执行被动或主动扫描;当MAC层完成扫描后,将会发送MLME-SCAN.confirm原语,通知网络层;然后网络层会发送NLME-NETWORK-DISCOV-ERY.confirm原语,通知应用层;应用层收到该原语后,将根据具体的情况,要么重新要求扫描,要么从关联表中选择发现的网络加入;一旦潜在的父节点确定之后,网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request原语发送到MAC层;网络的连接状态将通过MLME-ASSOCIATE.confirm原语反馈。

子结点加入网络成功之后,网络层将收到MLME-ASSO-CIATE.confirm原语,此原语中含有该节点的16位的唯一逻辑地址,网络层将在关联表中设置它与父节点的关系。同时,这个父节点也会在其关联表中加入这个新的子结点。如图3是子设备加入网络过程图。

对于父节点设备,只有协调器或路由器可以加入设备,进行该操作。首先从MAC层开始,MAC接收到一帧(ASSO-CIATE)数据,通过MLME_ASSOCIATE.indication原语传到网络层,潜在的父节点收到这帧数据,首先判断该设备是否已经存在其关联表中,如果找到,NLME将获取相应的16位网络地址,并发送association response到MAC层,如果没有找到,将分配一个在这个网络中唯一的地址给待加入的设备,如果潜在父节点已经用完了地址分配,NLME将中止,通过MLME-ASSOCIATE.reponse原语,告知该设备,不能接收子设备了,在多跳网络中,其他的设备还可以接收。

如果设备加入得到许可,这时候,将在关联表中创建一个表项,作为它的子节点,并通过MLME-ASSOCIATE.reponse原语,通知该设备,已经成功加入网络。如图4是父设备接受子设备加入网络过程图。

4 Zig Bee数据传输过程

4.1 数据发送

以下是应用层数据发送过程的主要代码:

4.2 数据接收

以下是数据接收过程的主要代码:

5 结语

研究分析了Zig Bee协议组网过程及数据发送过程。经过测试可以正确地组建网络和数据的收发,完成了预期的功能。对Zig Bee协议的进一步研究和应用有一定的指导价值。

摘要：分析了ZigBee网络拓扑和设备类型,给出了ZigBee网络的组网流程和数据收发过程的主要代码。

关键词：ZigBee网络拓扑,无线网络,ZigBee网络组建,ZigBee数据传输

参考文献

[1]欧敏铨.ZigBee规范与系统设计需求剖析.电子产品世界,2007.

[2]周怡寤,等.ZigBee无线通信技术及其应用探讨自动化仪表.2005,26(6).

[3]ZigBeeAlliance ZigBeeSpecificationversion1.0,2005.

[4]李文仲,等.ZigBee无线网络技术入门与实战.北京航空航天大学出版社,2007.

ZigBee数据传输 篇3

一、几种无线传输技术及其比较

1. 蓝牙Blue Tooth (IEEE802.

15.1) 。蓝牙最早是爱立信研发的一种能使手机与其附件 (如耳机) 之间互相通信的无线模块。蓝牙主要用于通信和信息设备的无线连接, 它的工作频段是在2.4GHz ISM频段, 采用了GPSK调制技术和FHSS扩频技术, 发射功率分别为0d Bm、4d Bm和20d Bm三级, 有效范围大约在10m半径内。Blue Tooth为语音和特定网络提供支持, 需要协议栈提供250k B系统开销, 从而增加了系统成本和集成复杂性。另外, Blue Tooth对每个Picone (微微网) 只能配置7个节点的限制, 制约了其在大型传感器网络开发中的应用。

2. Wi-Fi (IEEE802.

11) 。Wi-Fi (Wireless Fidelity, 无线高保真) 也是一种无线通信协议。IEEE802.11的最初规范是在1997年提出的, 主要目的是提供WLAN接入, 也是目前WLAN的主要技术标准, 其工作频率也是2.4GHz。IEEE802.11流行的几个版本包括“a” (在5.8GHz波段带宽为54MBps) 、“b” (波段2.4GHz带宽为11MBps) 、“g” (波段2.4GHz带宽为22MBps) 。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。由于其优异的带宽是以较大的功耗为代价, 因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。

3. Ir DA (红外线数据) 。

红外线数据协会Ir DA (Infrared Data Association) 是一种利用红外线进行点对点通信的技术。Ir DA标准的无线设备传输速率已从115.2k Bps逐步发展到4MBps、16MBps。目前, 支持它的软硬件技术都很成熟, 在小型移动设备 (如PDA、手机) 上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。

4. Zig Bee (IEEE802.

15.4) 。Zig Bee的基础是IEEE802.15.4, 但是IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议, 因此Zig Bee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。Zig Bee技术同样使用2.4GHz波段, 采用跳频技术和扩频技术。另外, 它可与254个节点联网, 节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。

二、Zig Bee技术的主要特点和优势

为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求, 2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组, 致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用, 且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。

Zig Bee联盟成立于2001年8月。他们制订一个基于IEEE802.15.4、高性价比、低功耗的网络应用规格。到目前为止, 除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外, 该联盟大约已有百余家成员企业, 并在迅速发展壮大。

Zig Bee技术的主要特点有:

1. 功耗低。由于Zig Bee的传输速率低, 发射功率仅为1m W, 在休眠模式下, 电池寿命可长达数年。

2. 成本低。Zig Bee通信模块的单位成本在几美元左右, 并且Zig Bee协议是免专利费的。

3. 时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的搜索设备时延为30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此Zig Bee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制 (如工业控制场合等) 应用。

4. 网络容量大。一个星形结构的Zig Bee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 而且网络组成灵活。

5. 可靠。采取了碰撞避免策略, 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

6. 安全。Zig Bee提供了基于循环冗余校验 (CRC) 的数据包完整性检查功能, 支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法, 各个应用可以灵活确定其安全属性。

三、Zig Bee技术的应用

1. Zig Bee技术在工业控制领域的应用。

在现代工业数字化的基础上, 随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展, 对数据接口的开放性、数据传输的实时性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。由于传统有线网络本身的局限性, 许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。而无线广域网、无线局域网和无线个人网技术却能提供这些问题的有效解决方案。

在工业控制环境下的短距离无线网络技术已成为近年来业界的研究热点之一, 基于Blue Tooth (IEEE802.15.1) 、Wi-Fi (IEEE802.11) 和Zig Bee (IEEE8002.15.4) 等协议的无线网络技术相继问世。在众多无线网络技术中, Zig Bee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势, 在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力和广阔的市场前景。

Zig Bee技术在工业应用中的优势主要有三点。

(1) 可靠性。工业控制环境下对通信网络的首要要求是数据传输的高可靠性。无线通信在数据传输过程中容易受到外界噪声的干扰而发生衰变, 为了尽可能减小或消除这些干扰, 保障数据传输的可靠性, Zig Bee协议在各个层面上分别采用了不同的安全保障机制。

(2) 实时性。在工业控制系统中, 实时性是另一项重要指标。Zig Bee无线通信网络新增节点的典型网络参与时间为30 ms, 节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为15ms, 处于工作状态的节点的典型存取时间为15ms, 对于最长等待时间在10 ms量级以上的控制环境, Zig Bee技术完全可以满足实时性的要求。

(3) 灵活性。Zig Bee技术的灵活性主要体现在自身组网的可扩展性以及与其他通信设备之间的共存性。作为无线通信设备, 基于Zig Bee技术的通信模块几乎无须布线, 可随意摆放。无线通信网络建立之后, 在信号覆盖区域内任何一个位置都可以无缝接入网络, 并且可以“漫游”。因此, Zig Bee无线通信网络具有很强的可扩展性。

在共存性方面, Zig Bee通信模块具有透明传输的功能, 在信号覆盖范围以内可以和有线通信设备协调工作。

在Modbus现场总线控制系统中引入Zig Bee无线网络, 可以在确保数据传输可靠性和实时性的前提下, 大大提高控制系统的可扩展性, 降低设备维护的成本, 从而使整个控制系统得到优化。

2. Zig Bee技术在智能家居中的应用。

Zig Bee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点, 使它很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。

在家电控制领域, Zig Bee技术相对现在的红外遥控技术要先进很多, 使用者不用再拿着各种遥控器站在家电前进行操作。Zig Bee技术通过无线方式将各种电子和电器产品连接起来, 用户通过嵌套在诸如手机和PDA之中的遥控模块在规定范围内就可以操控各种家用电器。另外Zig Bee技术还有一些高端应用, 比如当房主在超市购物时, 可以发一条指令, 以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量, 确定是否需要再购买。Zig Bee技术的这些优点将会给我们的生活带来极大的便利, 从而在真正意义上实现我们常说的智能家居。

从技术上讲, 智能家居所要实现的主要功能有如下几种。

(1) 对白色家电和其他设备的控制、调节和监测。比如微波炉、灯光、电动窗帘、防盗报警器、烟雾探测器、温度和湿度控制器、各种手动的开关和遥控器等。

(2) 使黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间进行沟通, 其中包括计算机、摄像机、数码照相机等。同时还可以实现对它们的控制和监测。

(3) 通过对外的接口, 实现远程控制和信息交换。如电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通信方式等。

由此可见, 智能家居主要通过网络控制家庭中各种设备的运行状况。成本和功耗是控制网络的两个关键因素。Zig Bee技术低功耗、低成本、复杂度低的优势正好满足智能家居控制网络的需求。

Zigbee技术在智能家居中的应用系统如图1所示, 将基于Zig Bee芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中, 组成基于Zigbee技术的家庭无线控制网络。通过这些无线网络收发模块在各个网络子节点之间进行数据的传送, 从而实现家庭内设备的无线互连, 使它们能够自动运行, 相互协作, 为居住者提供尽可能多的便利和舒适。

3. Zig Bee技术在无线传感器网络的应用。

无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 是一种集成了传感器、微机电系统和网络技术而形成的全新的信息获取和处理系统。这种网络属于一种特殊的Ad-hoc网络, 是由许多无线传感器节点协同组织起来的。这些微型节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能, 可应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域 (如受到污染、环境被破坏或敌对区域) 和一些临时场合等。无线传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中, 它们之间可以通过基于Zigbee协议组织起来, 从而获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

这种基于Zigbee协议的无线传感器网络节点由下列部件组成:低功耗微处理器、低功耗通信模块、电源、复位电路等。节点功能模块示意图如图2所示。

无线传感器网络在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值, 具有十分广阔的应用前景。

4. Zig Bee技术在生产领域和其他领域的应用。在生产领域和其他领域, Zig Bee技术都有着广阔的应用前景。

在矿井生产中, 安装了Zigbee收发模块的工作服可以告诉控制中心矿工的准确位置, 同样的系统也可以应用在小区车辆管理中。在运动休闲领域, 一条使用了Zig Bee技术的高尔夫球道能够预测降雨, 进而调节自动洒水系统, 推迟既定日程中的喷洒时间或者使喷洒范围集中在降雨量较少的球道。

在酒店服务行业, 一家应用了Zig Bee技术的酒店可以自动感知房间是空的, 于是关闭该房间的取暖或制冷系统以便节能。

在食品零售业中, 安置在一板巧克力上的Zig Bee标签不仅仅只是提供巧克力是否到达目的地的信息, 它还能告诉生产商, 是否因为放在阳光下运输使得它周围的温度上升, 获取到信息的厂商就可以通知运输部门在巧克力融化之前把它们移到合适的位置。

可以预见, 在不远的将来, 会有越来越多的内置Zig Bee功能的设备进入我们的视野, 它们将极大地改善人们的生活。

四、结论

ZigBee数据传输 篇4

关键词：ZigBee技术,家庭无线网络,全功能设备,精简功能设备

1. 前言

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息, 这种肢体语言就是Zig Zag行舞蹈, 是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zig Bee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zig Bee也被称为“Home RF Lite”、“RF Easy Link”或“fire Fly”无线电技术, 目前统称为Zig Bee。Zig Bee技术最初是由13家通信及传感器领域的知名厂商于2004年底共同发起制定的。同时成立了Zig Bee联盟以避免标准混乱带来的内部争斗。

简而言之, Zig Bee就是一种便宜的, 低功耗的近距离无线组网通讯技术。Zig Bee, 在中国被译为"紫蜂", 它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术。

2. Zig Bee技术

2.1 Zig Bee技术综合简介

a.Zig Bee的IEEE相关

Zig Bee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点, 因而要想弄清楚Zig Bee, 就要了解IEEE 802.15.4, 它就是Zig Bee物理层和MAC层的模板

IEEE802.15.4网络是指使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。在这个网络中, 根据设备所具有的通信的能力, 可以分为全功能设备, 和精简功能设备。全功能设备之间以及全功能设备与精简功能设备之间都可以通信, 与精简功能设备相关的全功能设备通常称之为协调器。IEEE802.15.4定义了两种拓扑结构, 分别为星状拓扑 (理论上一个协调器和多达255个子设备) 和点对点模式。此协议定义了27个信道, 868MHz频段一个信道, 915MHz频段10个信道, 2450MHz频段16个信道。其调制过程如图:

物理帧的第一个字段是四个字节的前导码, 收发器在接收前导码期间, 会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符 (SFD) 字段长度为一个字节, 其值固定为0x A7, 标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步, 通过搜索SFD字段的值0x A7才能同步到字节上。帧长度由一个字节的低7位表示, 其值就是物理帧的长度。而且物理帧的负载长度是可变的, 称之为物理服务数据单元 (PSDU) , 一般用来承载MAC帧。

而对于Zig Bee技术来说, 其相对于IEEE802.15.4增加了逻辑网络、网络安全和应用软件, 从而更加适合于产品技术的一致化, 利于产品的互连互通。

b.通信传输模块及工作原理:

Zig Bee通信传输模块由Zig Bee传输模块及其外围设备组成, Zig Bee模块由Freescale公司产生的MC13192和MC9S08两个芯片所组成, 其中MC13192为射频和基带控制芯片, MC9S08为微控制芯片。而Zig Bee的外围设备由液晶显示器、键盘和MT8880组成, 其中液晶显示器负责显示各种所需要的界面, 键盘用来控制汇节点的操作, Zig Bee汇节点通信范围内的所有传感器节点进行通信联络, 当传感器节点有信息时, 则MC13192接收传感器节点的报警信息, MC13192和MC9S08之间通过串行外围设备接口SPI (Serial Peripheral Interface) 进行连接, 然后通过MC9S08所连接的外围设备MT8880将DTMF信号传送至CPU进行信息的处理。

2.2 Zig Bee的网络构建

首先我们通过图2了解一下Zig Bee的网络结构图:

在Zig Bee网络有两种网络设备类型, 即全功能设备 (FFD) 和精简功能设 (RFD) 。全功能设备业就是网络中的路由或中继, 其可以担任网络协调者, 形成网络, 让其它的全功能设备或是精简功能设备装置连结, 同时全功能设备具备控制器的功能, 可提供信息双向传输。而精简功能设备也就是网络中的终端结点, 只能传输信息给全功能设备, 或是从全功能设备接受信息。其只具有有限的功能来控制成本和复杂性, 在网络中也常常被用来作为终端设备图3即对这两种设备类型进行了比较:

对于Zig Bee网络来说, 其常见的有两种拓扑结构, 即星型拓扑和点对点拓扑, 每个Zig Bee网络至少需要一个全功能设备实现网络协调功能, 终端设备可以是精简功能设备用来降低系统成本。

Zig Bee采用自组织 (ad-hoc) 方式组网, 该架构被称为无基础构架的无线局域网 (Ad Hocireless LAN) , 这种架构对网络内部的设备数量不加限制, 并可随时建起无线通信链路。例如, 协调器一直处于监听状态, 当一个新添加的精简功能设备会被网络自动发现, 这时全功能设备会把精简功能设备的信息传送给协调器, 由协调器进行编址, 并计算其路由信息, 更新数据转发表和设备关联表等。若新添加到网络的是FFD, 则可直接把自身信息上报协调器, 并对周围的精简功能设备进行轮询, 记录它们的地址信息, 通知协调器更新路由, 此时新加入的全功能设备起到了一个桥梁的作用, 精简功能设备通过全功能设备和协调器进行间接通讯。这种分层结构, 便于管理, 增加了网络的透明度, 有利于发现并自动添加新入网设备。

在Zig Bee网络中, 所有设备均有一个64bit的IEEE地址, 可以分配一个16bit的本地地址减小数据包的大小。地址模式有两种:星型拓扑:网络号+设备标识;点对点:直接使用源/目的地址。协调器将参与地址的分配和记录工作, 在建立和启动网络过程中, 设置惟一的网络标识符以及每个节点都包含一个唯一的64bit IEEEMAC地址。这样做是基于保护个人隐私考虑的, 保证这种便携设备不会意外泄漏其标识, 而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

为了避免Zig Bee的接入竞争, Zig Bee通过MAC层提供保证的时隙, 但只作为一种可选的“超帧” (Super Frame) 的组成部分提供。但是, 如果Zig Bee节点试图避免传送的信号与其它节点或其它无线电源的信号相重叠, Zig Bee节点会消耗额外的能量, 它们必须在发送信号之前侦听空中是否还有其它信号在传送。

2.3 Zig Bee技术的优势

如今, 各种近距离无线传输技术层出不穷, Bluetooth (蓝牙) 、Zig Bee、Wi—Fi、Wi MAX、无线USB、UWB等等, 竞争激烈, 各有千秋。但随着通信距离的增大, 设备的复杂度、功耗以及系统成本的增加, 相对于现有的各种无线通信技术, Zig Bee技术的低功耗、低成本、容量大、安全性高等诸多优势使其在激烈的竞争中逐渐脱颖而出。Zig Bee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点, 使它很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。

在家电控制领域, Zig Bee的目标是使家电实现自动化。通过使用Zig Bee技术, 使用者不用再拿着各种遥控器站在家电前进行操作。Zig Bee技术通过无线方式将各种电子和电器产品连接起来, 用户只需使用一个遥控器在规定范围内就可以操控各种家用电器, 而且遥控模块可嵌套在诸如手机和PDA之类的便携电子器件中, 用户只需在手机上设定相应的操作, 家电就会按照规定自动完成这些指令, 同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。另外Zig Bee技术还有一些高端应用, 比如当房主在超市购物时, 可以发一条指令, 以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量, 确定是否需要再购买。Zig Bee技术的这些优点将会给我们的生活带来极大的便利, 从而在真正意义上实现了我们常说的智能家居消费和家用自动化。

同时, Zig Bee无线可以组建大规模网络, 网络节点容量达到65535个, 具有非常强大的组网优势。此外Zig Bee具有价格低廉, 能耗低, 通信效率高等特点, 这使得其在是市场竞争中也具备了一定的优势。

3. Zig Bee的应用

3.1 Zig Bee在智能家庭无线网络系统中的应用

家庭无线网络是指在家庭范围内, 通过先进的无线网络技术将电脑、家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连, 实现数据共享和管理, 并以广域互联网为接口与外界交互信息的一种新兴的无线网络系统。

在这个网络系统中, 网络节点是指镶嵌在各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元。而整个系统包括有具备多种通讯协议转换功能, 同时可通过以太网或程控电话网连接内外网和通过无线技术连同内网的网关, 具备无线通讯等接口的数字家电;配有无线接口、可远程报警的家用安防传感器设备;具备无线接口的家庭灯光控制器材;可进行防盗、报警等功能设备。

家庭无线网络具有灵活的网络拓扑结构、低成本和容易架设等有线网络所不具备的特点。已成为家庭数字化革命的重要组成部分, 这决定了未来广阔的发展前景。它也面临着技术上的挑战, 如怎样架设一个可靠的无线网络, 创建一个将不同设备互连的统一界面, 针对不同的客户搭建一个共同的开发平台等等。而通过Zig Bee网络实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安 (监控) 装置等设备互联, 使智能化、人性化的家居生活变成了现实。

家庭无线网络平台的实现:

Zig Bee是以IEEE802.15.4无线接收发射机标准为基础的, 同时, 也规定了无线通讯的网络技术、安全措施、应用接口以及应用技术。

在我国, 目前由海尔、春兰等12家集团公司构成的“国家家庭息平台结构体系总体组”在信息产业部和原国家经贸委的支持和指导下, 于2003年推出了基于互联网的《家庭网络系统技术规范》系列标准。本文所描述的平台就是基于国际Zig Bee标准规范和中国《家庭网络系统技术规范》系列标准而展开的。

尽管智能家庭的概念已经提出很多年了, 但是由于相应的通信技术及应用方面的发展速度缓慢, 智能家庭一直没有走向实用化。随着Zig Bee技术的出现, 使得智能家庭可能在未来的2到3年内走入人们的生活中。

通过Zig Bee网络, 我们可以远程控制家里的电器、门窗等。下班前可以在路上就打开家里的空调;下雨的时候可以远程关闭门窗;家中有非法入侵时可以及时得到通知;方便的采集水电煤气的使用量;通过一个Zig Bee遥控器, 控制所有的家电设备。

3.2 Zig Bee的其他应用

在其他无线通信技术不断追求高速率远距离的今天, Zig Bee却反其道而行之, 向着低速率近距离的方向迈进, 其目的就是为了大幅降低无线终端的成本及功耗。因为只有这样, 才能实现其“无所不在”的目的。

Zig Bee技术对传感器有着很好的支持, 可以在单芯片内实现传感器数据的采集、处理、传输。以往, 即使是为了采集传输门窗关闭状态这样的简单信号, 最起码也需要一个8位单片机外加无线传输模块来搭建一个最小系统。而在今天, 内藏CPU的Zig Bee芯片可以使这些东西都集中在单个芯片内。不仅如此, 像嵌入式操作系统、TCP/IP协议栈以及功能多样的应用程序, 以及面向传感器领域的多通道AD/DA转换器、多种外围接口等等都可以集成在内。

低功耗是Zig Bee技术最具优势的地方。在通信状态, Zig Bee终端耗电在几十m W左右, 在省电模式下, 耗电仅仅几十u W, 一节干电池可以工作几个月到1年。

基于以上优势, Zig Bee不仅向终端消费者提供了价格低廉、操作简单的Zig Bee产品, 同时也为产品开发商提供了低开发成本、高开发效率的一站式解决方案。

Zig Bee技术主要应用在短距离无线网络通信方面。不远的将来, 在很多领域里都可以看到Zig Bee的身影:

a.智能建筑

通过建立完备的Zig Bee网络, 智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患, 及早提供相关信息;根据人员分布情况自动控制中央空调, 实现能源的节约;及时掌握酒店客房内客人的出入信息, 以便在突发事件时及时准确地发出通知。

在机场, 持有Zig Bee终端的乘客们可以随时得到导航信息, 比如登机口的位置, 航班的变动, 甚至附近有什么商店等等。

b.工业自动化领域

在工业自动化领域, 人们可以通过Zig Bee网络实现厂房内不同区域温湿度的监控;及时得到机器运转状况的信息;结合RF标签, 可以方便的统计库存量.

c.医疗领域

在医院, 时间就是生命, Zig Bee网络可以帮助医生和患者争取每一秒的时间。Zig Bee网络可以帮助医生及时准确地收集急诊病人的信息和检查结果, 快速准确的作出诊断。戴有Zig Bee终端的患者可以得到24小时的体温、脉搏监控;配有Zig Bee终端的担架可以遥控电梯门的开关。

3.3 未来的发展方向

2004年底成立之初到2006年中, Zig Bee联盟自已经自最初的13家公司发展到有全球150多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的追捧之下, Zig Bee技术呈现出蓬勃的发展态势。

未来的Zig Bee, 将向着以下几个方面发展:

a.更廉价、更省电

根据最新的信息, 一节电池工作3年的Zig Bee产品已经面世。在日本的神户机场, 所有Zig Bee节点仅仅依靠一小块太阳能电池板供电。而随着应用的不断增加, 更大的产量必然导致更低廉的价格。

b.IPv6和Zig Bee的结合

IPv6拥有巨大的地址空间, 可以为每一个Zig Bee节点分配一个全球唯一的网络地址, 同时提供安全的通信保障和优良的Qo S保证。IPv6和Zig Bee的结合是一个必然趋势。走在国内通信领域前沿的科技型企业--上海爱吉信息技术有限公司, 在IPv6协议栈开发和Zig Bee嵌入式产品的研发上都取得了相当的成果。在最近的东京嵌入式产品展示会上, 爱吉公司的Zig Bee体温脉搏感知手表得到了与会者的极大肯定。

可以预见, 在未来的几年之内, Zig Bee产品将以各种各样的方式走向我们, 成为我们工作生活中不可或缺的一部分。

4. 结论

Zig Bee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术, 是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术, 主要适合于承载数据流量较小的业务, 可嵌入各种设备中, 同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术, Zig Bee技术是最低功耗和成本的技术

作为一种标准和基础技术, Zig Bee已经受到了自动控制市场的关注, 在家庭、楼宇自动化等应用中被寄予厚望。Zig Bee关键是要找到切合市场需求的定位和应用模式, 才能避免像蓝牙那样在相当一段时间里都处于叫好不叫座的尴尬境地。

尽管目前Zig Bee似乎还有些遥不可及, 但是随着Zig Bee技术的不断更新和普及, 可以预见, 在未来的几年之内, Zig Bee产品将以各种各样的方式走向我们, 成为我们工作生活中不可或缺的一部分。

参考文献

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ZigBee数据传输 篇5

本文介绍了利用ZigBee技术与GSM数据传输相结合的方式设计的无线智能家居控制系统。基于调研结果和家居的发展特点和现状可以看出，虽然目前智能家居系统有了一定的发展，但总体还处于市场展初期，而随着经济的发展，信息技术的进步，人们对家庭环境必然提出越来越高的要求。家居控制系统作为智能家居的一个重要组成部分，也将起到更加重要的作用。本文研究建立一个对家居环境进行远程控制，实现家居智能化的系统，其目的在于突破地域和环境上的限制，实现集中和高层监控，最终实现生产资源和社会资源的优化配置。

智能家居就是通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。由于G S M网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势。利用G S M短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。ZigBee并不是家庭控制网络的惟一选择，目前用于设计无线传感器网络的主流网络协议有Bluetooth, ZigBee和UWB等。但诸多替代方案在某个方面远不如它。比如蓝牙这项越来越流行的短距离无线网络技术实施起来成本高而且它根本无法支持由电池供电的小设备长年使用，加上蓝牙的地址空间有限而导致设备开启延迟等特点使得ZIGBEE技术在智能家居中成为首选技术。

2 Zigbee技术概述及主要优点

2.1 Zigbee技术概述

相对于现有的无线通信技术, ZigBee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术, 符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。ZIGBEE网络中的设备分为FFD（全功能设备）和R F D（简化功能设备）两种，其中F F D设备也可作为协调器使用。FFD是具有路由与中继功能的网络节点，可以与R F D节点通信也可以与别的F F D节点通信；R F D节点作为网络终端节点，相互间不能直接通信，只能通过F F D节点发送和接收信息，不具有路由和中继功能。

2.2 ZIGBEE技术主要优点

1) 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式, Zigbee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

2) 可靠：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。M A C层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

3) 成本低：模块的初始成本估计在6美元左右且Zigbee协议是免专利费的。

4) 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

5) 网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

6) 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用A E S-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

7) 有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

8) 工作频段灵活：使用频段为2.4 G H z、8 6 8 M H z (欧洲) 及9 1 5 M H z (美国) ，均为免执照频段。

3 无线智能家居控制系统的实现

3.1 无线智能家居控制系统构建

此设计如图1。它是由很多的无线传感器节点、汇节点、DSP控制中心模块和GSM数据传输模块组成的控制系统。通过DSP控制中心模块外接GSM模块，实现通过手机短信息控制家庭内部的电器设备。汇节点和传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，DSP控制中心模块获取采集到的相关信息，然后进行处理，用户通过G S M网络实现对家电的有效控制和管理。煤气表、温度表、灯、暖气、空调等电器通过串行口或其他通讯口分别与ZIGBEE RFD模块进行有线连接通信，各设备的数据经由ZIGBEE RFD模块转化为Z I G B E E通信协议包，传给就近的FFD模块，FFD模块根据表驱动路由算法选择最优的通信路径，通过其他的FFD模块以多跳通信的方式把数据包传到ZIGBEE协调器。ZIGBEE协调器收到数据包后，一方面按原路径返回收到确认信息，以至到达发送数据的RFD模块，实现握手通信，完成一次完整的ZIGBEE无线通信。否则RFD模块继续发送数据，至到收到协调器返回的握手信息；另一方面，ZIGBEE协调器把收到的数据传给DSP控制中心模块，实现数据的采集和管理。

3.2 各系统模块功能概述

3.2.1 DSP主控模块

DSP主控模块依照一定的通信协议与用户进行短信息的收发。DSP主控模块电路接收并解释短信息指令，通过ZIGBEE网络对各功能单元模块进行控制。在异常时按照预设的号码进行短消息报警及发送异常图片。

3.2.2 短信平台模块

短信平台模块主要提供数据传输功能，外界传输的媒介为G S M网络。本文主要是利用它的数据传输功能实现系统和用户间的通信。DSP主控模块是这部分的核心，它承担着短信息的接收和发送、短信息解释、命令的发送，对图片的压缩以及传输等任务。

3.2.3 通信接口电路设计

短信平台模块接收信息后，需由DSP主控模块来解释进而去执行相应的命令。D S P主控模块和短信平台模块及Z I G B E E F F D之间通过串口进行通信。各家电设备与ZIGBEE RFD模块通过串口通信。

3.3 ZIGBEE网络采用需求时唤醒的工作模式

本网络采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以减少信息上报的时的碰撞概率，延长网络的寿命，减少了功耗。ZIGBEE在大部分时间处于睡眠状态的设备之间不太频繁地传送简短信号。理论上的最大数据速率只有每秒250千比特，不过仍非常快，足以尽量缩短传送器或者接收器的工作时间。两个设备之间的典型通话一般只用几毫秒，这样传送器可以迅速回到睡眠状态。

4 结束语

本文介绍的基于G S M数据传输的Zigbee无线智能家居控制系统，用户通过GSM网络即可实现对家电的有效控制和管理。而且其具有低成本、低功耗、较远的覆盖范围及通用性的特点，有很广阔的发展前景。

参考文献

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ZigBee数据传输 篇6

本设计所实现的健身数据无线采集系统具有以下主要特点: (1) 本设计基于无线传感器网络技术提出了一种简易的运动量采集与评价系统, 具有简单实用的特点; (2) 系统扩展性强, 基于本设计提出的网络架构, 可以方便地进行扩展, 增加血压等其它参数的测量, 也可以在一个人身上放置多个节点, 使自身形成一个小型网络, 再连接在大网络上; (3) 节点耗电量极低, 采用Zig Bee的DSSS技术, 功耗极低, 仅以一般电池供电, 可供一年以上的使用寿命; (4) 节点移动性强, Zig Bee无线网络具有自组性特点, 节点之间的通信可近百米, 并可以中继传输, 便于运动者的移动与采集; (5) 系统实现了数据采集与分析评价, 对于健身者运动量评价以及长期的健康监测, 都具有重要的意义。

1 系统方案

1.1 系统整体架构

无线龙Zig Bee协议栈高级开发系统C51RF-3-PK是经济、高效、方便、快捷、可重复使用的开发工具套装, 完全满足IEEE802.15.4标准和Zig Bee技术标准。该工具箱包含了构建多种Zig Bee网络所需的全部硬件、软件专业开发工具、文档, 能满足人体生命体征监控的多种需求。

本设计所实现的健身数据无线采集系统以C51RF-3-PK开发平台为核心, 使用了一块表演板, 两个电池板, 在电池板上扩展了一个温度传感器DS18B20, 一个压电陶瓷片, 多级放大电路, 外扩电源线路, 充分利用了C51RF-3-PK开发平台的丰富资源。另外, 在上位机中, 实时显示被检测者的生理数据信息, 并进行分析处理, 评估当前的运动是否过量, 决定是否给出警告信息。

系统的总体架构如图1所示。

1.2 体温采集的实现

本设计的温度采集是用温度传感器芯片来实现体温数据的采集[5,6], 采用DS18B20完成。DS18B20的全部传感组件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20支持“一线总线”接口, 测量温度范围为-55℃~+125℃, 在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃;可以程序设定9~12位的分辨率, 对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃, 可实现高精度测温;DS18B20适应电压范围更宽, 电压范围:3.0V~5.5V, 在寄生电源方式下可由数据线供电;支持多点组网功能, 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上, 实现组网多点测温。

温度采集部分采用的是单总线结构的DS18B20, 因此硬件设计也相对简单, 只需将其和CC2430的可编程I/O端口相连 (选择P1_4端口) 。另外将DS18B20的VCC和GND分别接在电池板的VCC和GND上即可。如图2所示。

1.3 脉搏采集的实现

脉搏采集采用压电陶瓷片, 其原理是压电效应。压电效应是指某些介质在力的作用下, 产生形变, 引起介质表面带电, 这是正压电效应。反之, 施加激励电场, 介质将产生机械变形, 称逆压电效应。压电陶瓷具有敏感的特性, 可以将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷片, 把人体的脉搏跳动转化为电信号。由于脉搏波为低频信号[7], 所以压电陶瓷片采集到的信号还要经过放大、整形滤波才能得到比较规整的波形[8,9], 便于计数。设计采用的放大电路是非门放大。整形采用的是施密特触发器, 施密特触发器采用电位触发方式, 其状态由输入信号电位维持;利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用, 可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+, 即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。图3为脉搏采集电路原理图。

2 软件设计实现

软件部分分为两部分:一是Zig Bee协议栈, 下载到协调器模块和节点模块运行;二是上位机软件, 实现数据的存储与加工。

2.1 Zig Bee协议栈

在设计中使用的协议栈是Zig Bee2006, 代码使用C语言编写, 包含协调器与节点两个模块设备。

2.1.1 节点采集

体温和脉搏的采集在函数zb_Handle OsalEvent () 中实现。在协议栈中有关节点的程序在Simple Sensor.c中。

程序流程图如图4所示。

其中, 传感器采集数据部分又分为两部分:一是温度采集部分, 二是脉搏采集部分。温度采集使用DS18B20。脉搏采集部分使用压电陶瓷片, 在CC2430内部使用定时器T1, 定时器溢出次数达到一定值 (本设计是200次, 这样count函数执行一次的时间大概是3秒左右) 时, 将统计的数据返回给主调函数, 再调用发送函数发给协调器。

2.1.2 协调器工作过程

协调器完成网络的建立与维护, 绑定的建立维护以及数据的接收[10,11], 协调器向PC机发送节点发来的信息。在协议栈中, 协调器的代码在Simple Collector.c中。程序流程如图5所示。

2.2 上位机软件的设计

上位机软件主要完成对每个节点信息的汇总、分析与显示。采用Microsoft Visual Basic6.0 (中文版) 开发环境进行设计。

本设计中将采集到的数据存储到Acess数据库中。用VB的两个控件Microsoft ADO Data Control6.0和Microsoft Data Grid Control 6.0实现Access的链接和数据库中的数据在界面上显示, 利用Picture控件 (line) 画出在一段时间内的信息变化曲线。

上位机软件的程序流程图如图6所示。

上位机在接收到协调器发来的信息后首先根据地址判断是哪个节点发来的数据, 之后再根据数据后面的字母判断是体温信息还是脉搏数据, 若是体温数据则转入体温曲线绘制, 是脉搏数据转入脉搏信息绘制。还将所采集到的体温和脉搏值存入Access数据库, 便于健身者查询自己的状况。最后根据预先的标准[1]判断体温值和脉搏数是否超标, 给出运动指导。

3 系统测试

系统测试划分为硬件测试、协议栈测试、上微机软件测试三部分。下面对这三方面分别进行测试。

3.1 系统测试步骤

(1) 检查开发板电源、串口线以及外扩设备连接是否正常。

(2) 下载协调器代码到开发系统的表演板。

(3) 下载节点代码到电池板。

(4) 用串口调试助手观察协议栈运行是否正常。

(5) 测试上位机软件, PC端能否正常接收数据以及能否将数据存到数据库中, 可否正常画出曲线。

3.2 系统测试结果

3.2.1 系统的硬件测试

系统的硬件测试包括对所开发平台的电源、内存、按键、LED灯、串口, 以及扩展的DS18B20、压电陶瓷片以及配套电路进行测试。

下载各模块的程序后, 系统各硬件均能正常工作, DS18B20也能正常采集温度, 脉搏传感器以及配套电路均正常。

3.2.2 协议栈的测试

下载协调器模块到表演板、节点模块到电池板后, 程序运行正确, 从串口能正确接收到温度和脉搏信息。图7是用串口调试助手看到的效果。

3.2.3 系统总成测试

打开上位机软件, 运行之后, 可以看到系统运行效果如图8所示。可以看到, 上位机能够正确接受数据并实时显示, 表明整个系统运行正常, 没有错误。

4 结束语

经过测试, 系统的软硬件均工作正常, 实现了功能需求。网络功能方面, 充分发挥了Zig Bee的强大的优势, 网络健壮。测试中, 温度传感器采集的是室温, 所测得的温度值与室温在容许的误差范围内, 脉搏传感器所测得数据排除测试过程中手的抖动等其他因素, 也是符合实际的要求。上位机软件测试基本完成了体温和脉搏的数据的实时显示和存储, 并以波形图展示。

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ZigBee数据传输 篇7

在煤矿企业安全生产工作中, 煤矿应急救援是极为重要的组成部分之一, 不仅和国家稳定发展有关, 还和国际政治经济生活有关, 尤其在中国加入世界贸易组织后, 煤矿应急救援工作更是占据着特殊性地位[1]。而在煤矿应急救援工作中采用Zig Bee无线传输技术的主要目的是降低事故伤亡率与财产损失率, 并向地面控制中心发出报警信号, 以及时提供煤矿安全事故现场的原始资料, 这对于下一步应急救援方案的制定来说可起到很大的推动作用。

1 中国煤矿安全生产背景与应急救援背景

1.1 煤矿安全生产背景

根据有关调查数据显示, 中国煤炭生产量与消费量居于世界首位, 但在安全生产方面仍存在许多不同程度的问题。“十五”期间, 中国相关部门就开始针对煤矿安全生产问题采取一系列有效性措施, 例如加大国债资金投入力度、改造煤矿安全生产技术、增强煤矿瓦斯治理能力等, 以进一步完善和提高煤矿安全生产水平。通过上述有效性措施的施行, 中国煤矿安全事故伤亡率呈逐年减少趋势, 而煤矿安全生产也进入稳定期, 但其形势仍十分险峻。

1.2 煤矿应急救援背景

展开煤矿应急救援工作时, 必须以安全、预防为核心, 只有这样才能尽快实现煤矿的安全生产。根据中国有关部门规定的要求, 建立行之有效的预警机制和应急机制, 以强化政府的实际应对能力。中国煤矿安全监察局和安全生产监督管理总局一定要将“五项要素”贯彻落实到各项安全生产工作中, 并依照“六个支撑体系”对整体工作思路进行科学规划, 其中煤矿应急救援系统的建立显得尤为重要。目前, 中国煤矿应急救援工作虽然得到了高效、高质的发展, 其安全事故伤亡率与财产损失率也得到了显著降低, 但其在设备、技术、系统建立、科学管理和基础理论等方面仍无法满足现代化煤矿安全生产形势提出的各项需求, 这严重制约了中国煤矿事业的健康、持久、稳定发展[2]。

2 国内外煤矿应急救援的研究现状与发展趋势

2.1 国外煤矿应急救援的研究现状与发展趋势

每个国家都很注重煤矿应急救援工作, 其中美国、德国、波兰等国家具有较为完善的煤矿应急救援系统, 具体表现在以下几个方面:a) 美国。将78支煤矿救护队分别建于13个州, 并把匹兹堡安全技术中心和健康技术中心作为主要部分, 对技术支持系统进行合理建立与完善, 同时还要组织建立煤矿紧急救援队, 注意救护队的经费来源、组织形式、救灾程序、装备与培训等方面都必须按照法律法规提出的要求执行;b) 德国。设有煤矿救护委员会, 总共包括72个事故抢险救护站、54个救护站与5个救护总站, 主要负责煤矿和工厂的所有应急救援工作;c) 波兰。在贝托姆煤矿救护总站设置三级煤矿救援组织, 这不仅是煤矿应急救援技术支持系统的核心, 还是煤矿应急救援的关键。

2.2 国内煤矿应急救援的研究现状与发展趋势

中国总共设有1 970支煤矿救护队伍, 其中1 445支为煤矿救护小队, 449支为救护中队, 76支为救护大队, 14 328人直接从事煤矿安全事故应急救援工作, 而这些救护人员均已广泛分布在中国21省、自治区和直辖市。现阶段, 中国煤矿安全事故抢险救灾工作均得到了显著发展, 但其应急救援工作却存在许多不同程度的问题, 具体表现在以下几个方面:a) 由于煤矿应急救援工作大多采用通信设备进行语音交流和沟通, 所以信息量十分匮乏, 最终导致井下状况无法做出全面且系统的判断;b) 现有煤矿救护队伍缺乏整体性和团结性, 加上协调系统不完善, 使得资源出现大量不必要的浪费, 直接影响了煤矿的整体救灾质量;c) 没有充足的煤矿救援力量, 而大部分中小煤矿企业与非煤矿企业也没有做专业救护队伍的建立;d) 煤矿救护工作存在资金欠缺、设备落后、通信阻碍严重、应对能力不足和队伍不稳定等诸多缺点。上述这些问题直接导致上级指挥人员、井下救护人员与协调人员之间出现信息反馈严重阻滞现象, 使得地面指挥中心与煤矿救援基地不能及时了解灾区的实际状况, 因而也无法制定行之有效的救灾方案, 这不仅阻碍了救援工作的调度, 还耽误了最佳救援时机, 严重时甚至会显著增加事故伤亡率和财产损失率[3]。针对这一情况, 中国煤矿企业必须高度重视各项应急救援工作, 对过往经验进行归纳总结, 以进一步完善救灾技术, 提高救灾工作的整体效率, 推动中国煤矿事业不断向前发展。

3 Zig Bee无线传输技术在煤矿应急救援中的应用

3.1 Zig Bee无线传输技术

利用65 000个无限数传模块相互组合而形成的无线数传网络平台即称为Zig Bee无线传输技术。Zig Bee无线传输技术与移动通信的GSM网及CDMA网相似, 而1个移动网络基站则相当于每一个Zig Bee网络数传模块, 如果处于相同的网络范围内, Zig Bee无线传输技术与移动网络之间就可以展开通信作业。Zig Bee无线传输技术的各网络节点间距可根据需要做任意扩展, 短至7 500 cm, 长至几千米。除此之外, Zig Bee网络还能够与其它不同类型的网络相互连接在一起, 所以Zig Bee无线传输技术目前已在农业自动化、家庭自动化、汽车自动化、医疗护理、遥测遥控和工业等方面得到普及使用。

3.2 合理设计Zig Bee安全监测体系

井下与地面是安全检测系统的重要组成部分, 而煤矿安全监测中心则设于地面部分, 主要负责监测整个矿井的所有数据, 包括VPN网关、监控主机和备份主机等多种设备。利用Internet将煤矿安全监测中心和地方安监局有效连接起来, 并对煤矿井下瓦斯浓度等各项数据进行实时动态监测。传感器网络节点与路由器结合形成井下部分, 其中路由器负责地面数据交互工作和井下数据汇集连接工作, 如图1所示。

按照传感器节点位置与不同使用要求, 将传感器网络节点有效划分成以下三种角色:a) 传感器节点。通过数据采集与之相适应的模块后, 再收集四周环境的所有数据, 最后利用通信路由协议把数据输送至簇首节点中;b) 网络协调器。对各工作面无线路由器数据和各簇节点数据之间的交换工作进行有效协调[4];c) 簇首节点。对该簇内各节点采集到的相应数据进行收集, 待数据融合处理结束后, 输送至网络协调器中。

3.3 Zig Bee安全监测系统的运用宗旨

在煤矿应急救援过程中, 运用Zig Bee安全监测系统的宗旨是:a) 采集现场环境的实际状况, 例如空气、温度与湿度等气体的具体含量, 以正确预判环境状况;b) 合理科学地定位井下救护人员的正常情况与异常情况;c) 对救护人员的血压、心跳及温度等各种生命特征进行有效采集, 以确保井下救护人员的生命安全。

4 结语

在煤矿应急救援工作中运用Zig Bee无线传输技术, 不仅可以对井下作业状况进行实时监控, 还可以及时向地面监控中心提供所采集到的瓦斯浓度与温度等数据, 以便制定出一份行之有效的应急救援方案, 降低煤矿安全事故产生率和财产损失率, 实现经济效益和社会效益的最大化, 这对于中国煤矿事业的可持续发展来说可起到良好的推动作用。

参考文献

[1]张东, 李长录, 徐洋, 等.基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿安全, 2010 (07) :77-80.

[2]张亚, 陈君兰.应用ZigBee技术的井下机车运输监控系统[J].煤矿机械, 2010, 31 (06) :146-148.

[3]冯巧玲, 郑新华.基于Zigbee的无线粮情监控网络中测量节点的设计[J].微型机与应用, 2010 (07) :65-67.