（计算机应用技术专业论文）基于zigbee和实时数据库技术的无线数据采集系统研究.pdf

山东砰t 人学硕f j 学位论文 摘要 摘要 无线传感器网络的诞生解决了对布线困难的区域、人员不能到达的区域进行数据 采集的问题，同时也简化了有线网络所带来的规划布线、预设接口、线路检测、线路 扩容等一系列和传输途径有关的繁琐工作。目前无线传感器网络市场几乎被国外厂商 占领，这严重阻碍了我国无线数据采集系统的发展。目前z i g l 3 e e 作为一项新兴的无 线通信技术将其与实时数据库相结合，将对无线实时数据采集系统起到很大的推动作 用，同时无线实时数据采集系统的发展对提高企业的运行效率、提高企业的竞争力、 降低运营成本也有十分重要的作用。 。 课题的目的是设计出一套能够实现基本应用的无线实时数据采集系统，以验证 z i g b e e 技术与实时数据库技术相结合的可行性，为今后的研究打下基础。该系统的 特点是设计简单、实时性强、系统稳定。其功能包括数据采集节点对模拟信号的采集、 z i g b e e 无线网络对数据的无线传输、实时数据库对数据进行管理，管理的功能包括 实时数据显示、数据曲线绘制、数据报警及数据存储等。监控人员可以根据上位机上 监控系统所显示的数据报表、曲线图以及报警状态对被测对象进行相应的、及时有效 的处理。课题以z i g b e e 芯片c c 2 4 3 0 作为无线网络的核心，调整整个无线网络的的 正常运行；以实时数据库作为上位机的核心，负责整个数据采集系统的数据实时存储、 上位机和无线网络的数据交互；通过组态软件实现无线传感器网络与实时数据库的连 接并产生友好的人机界面，方便管理人员管理数据、及时了解数据采集现场的情况。 本文所做的主要工作： 1 、在研究i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的基础上，构建t z i g b e e 无线星型通信网络， 实现t z i g b e e 星型网的基本应用。 2 、完成f z i g b e e n 络节点的硬件设计，包括节点硬件原理图设计、硬件节点抗 干扰措施、节点硬件p c b 电路板制作以及硬件电路的调试。 3 、完成了网络各节点通信的软件设计，主要包括终端节点数据采集程序的编写 和各节点相互通信的软件设计，实现了终端节点对环境温度的采集以及星型网络各节 点之间的通信。 4 、通过组态软件完成了无线传感器网络与实时数据库系统的连接，实现了实时 数据库系统对数据的管理，如实时数据显示、数据曲线绘制、数据报警及数据存储等。 经多次试验，系统的实时性、数据传输的正确性以及系统的稳定性得到了验证。 关键词：无线实时数据采集系统；z i g b e e ；c c 2 4 3 0 ：组态软件；实时数据库 a b s t r a c t t h eb i r t ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a ds o l v e dt h ed i f f i c u l t i e so fw i r i n gt h er e g i o n ， m e m b e r so f t h er e g i o nd on o tr e a c ht h ei s s u ef o rd a t ac o l l e c t i o n ，a t t h es a m et i m e s i m p l i f y i n gt h ec a b l en e t w o r ka l s ob r o u g h ta b o u tb yt h ep l a n n i n gl a y o u t ，t h ed e f a u l t i n t e r f a c e ，l i n ed e t e c t i o n ，l i n ec a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o nc h a n n e l s ，s u c ha sas e r i e so f t e d i o u s r o r k r e l a t e d a tp r e s e n t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km a r k e ti sa l m o s to c c u p i e db yf o r e i g n f i r m s ，w h i c hs e r i o u s l yh i n d e r e dt h ea c q u i s i t i o no fc h i n a sw i r e l e s sd a t as y s t e m s a tp r e s e n t a sa n e m e r g i n gz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t hac o m b i n a t i o no f r e a l - t i m ed a t a b a s ew i l lb ew i r e l e s sr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp l a y e das i g n i f i c a n t r o l ei np r o m o t i n g ，a tt h es a m et i m e ，r e a l - t i m ew i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mt oe n h a n c e t h ed e v e l o p m e n to ft h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yo f e n t e r p r i s e s ，i m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s s o f e n t e r p r i s e s ，r e d u c eo p e r a t i n gc o s t si sa l s oav e r yi m p o r t a n tr o l e t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nas e to fb a s i ca p p l i c a t i o n st oa c h i e v e r e a l - t i m ew i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mt ov a l i d a t et h ez i g b e et e c h n o l o g ya n dt h ef a c t t h a tac o m b i n a t i o no fd a t a b a s et e c h n o l o g yf e a s i b i l i t y ，i no r d e rt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o r f u t u r er e s e a r c h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mi sd e s i g n e dt ob es i m p l e ，r e a l t i m es v s t e m i ss t a b l e i t sf u n c t i o n si n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o nn o d ef o ra n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o n ，z i g b e e w i r e l e s sn e t w o r ko fw i r e l e s st r a n s m i s s i o no fd a t a ，r e a l t i m ed a t a b a s ed a t am a n a g e m e n t ， a n dm a n a g e m e n tf e a t u r e si n c l u d er e a l - t i m ed a t ad i s p l a y ，d a t am a p p i n g c u r v e ，d a t aa l a n n a n dd a t as t o r a g e ，e t c s t a f fc a nm o n i t o rt h eh o s tc o m p u t e rt om o n i t o r d a t aa ss h o w t lb vt h e s y s t e mr e p o r t s ，a sw e l la st h ec u r v eo ft h em e a s u r e dr e p o r tt ot h ep o l i c es t a t eo ft h e c o r r e s p o n d i n go b j e c t ，t h et i m e l ya n de f f i c i e n tm a n n e r s u b j e c tt oc c 2 4 3 0c h i pz i g b e e w i r e l e s sn e t w o r k i n ga s t h ec o r eo ft h ee n t i r ew i r e l e s s n e t w o r kt oa d j u s tt h en o r m a l o p e r a t i o no ft h en e t w o r k ；r e a l t i m ed a t a b a s ea st h ec o r eo fp ci sr e s p o n s i b l ef o rt h ee n t i r e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nr e a l - t i m ed a t as t o r a g e ，n e t w o r ka n dw i r e l e s sp cd a t ae x c h a n g e ： c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et h r o u g ht h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dr e a l t i m ed a t a b a s e c o n n e c t i v i t ya n dg e n e r a t e saf r i e n d l ym a l l m a c h i n ei n t e r f a c e ，a sw e l la sh a v ea 衔e n d l v i n t e r a c t i v ei n t e r f a c et of a c i l i t a t em a n a g e m e n to fd a t am a n a g e m e n t ，d a t ac o l i c c t i o ns i t et o k e e pa b r e a s to ft h es i t u a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em a j o rw o r kd o n e ： 1 、i nt h es t u d yb a s e do ni e e e 8 0 2 15 4 z i g b e ea g e e m e n tt ob u i l da z i g b e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks t a r , a c h i e v e dz i g b e eb a s i cs t a rn e t w o r ka p p l i c a t i o n s 山东理t 人学硕f 学化论丈 a b s t r a c t 2 、t h ec o m p l e t i o no ft h ez i g b e en e t w o r kn o d e so ft h eh a r d w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n gs c h e m a t i cn o d e h a r d w a r ed e s i g n ，h a r d w a r ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e sn o d e ， n o d eh a r d w a r e ，a sw e l la st h ep r o d u c t i o no fp c bb o a r dc i r c u i td e b u gh a r d w a r e 3 、t h ec o m p l e t i o no ft h en e t w o r k n o d ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o np r o c e d u r et e r m i n a ln o d e sa n de a c hn o d eo ft h e p r e p a r a t i o no fs o f t w a r ed e s i g n e dt oc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt oa c h i e v et h e e n d n o d e so ft h ec o l l e c t i o no fa m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a sw e l la ss t a r - s h a p e dn e t w o r k o fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne a c hn o d e 4 、c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et h r o u g ht h ec o m p l e t i o no ft h ew i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k sa n dr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e m s ，r e a l - t i m ed a t a b a s es y s t e mf o rd a t a m a n a g e m e n t ，s u c ha s ：r e a l t i m ed a t ad i s p l a y ，d a t am a p p i n gc u r v e ，d a t as u c ha s a l a r ma n dd a t as t o r a g e t h i ss y s t e m sf u n c t i o nh a sb e e nv e r i f i e d ，f o re x a m p l er e a l t i m es y s t e m s ，d a t a t r a n s m i s s i o n ，a sw e l la st h ec o r r e c t n e s so ft h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mt h r o u g hm a n y t i m e st h ea c t u a lt e s t s k e yw o r d s ：w i r e l e s sr e a l t i m e d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ；z i g b e e ；c c 2 4 3 0 ； c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；r e a l t i m ed a t a b a s e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：耄端 时间：夕年多月细 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签 导师签 时间：枷7 年月e t 时间：呻年6 月e t 山东理t 人学硕f 。学位论史 第一辛绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 自2 0 世纪9 0 年代开始，无线网络技术逐渐进入了我们的生活和工作。但是，目 前很多场合的数据采集系统还是有线设备，各部件之问采用电缆连接进行数据通讯。 由于工业现场环境复杂，有线数据采集系统往往受到种种制约，如：有线网络只能沿 着一维的线路传输数据，传输需要导体介质，因而带来规划布线、预设接口、线路检 测、线路扩容等一系列和传输途径有关的工作，而且当工业设备处在不能布线的环境 中时是难以使用有线网络的，此时就需要使用无线的方式进行信号的采集和传输。因 此采用无线传感器网络技术进行数据通信己经是现代数据采集系统的发展趋判。同 时，进入2 1 世纪，通过信息化来提高企业的运行效率、提高企业的竞争力、降低运 营成本成为现代化企业普遍采用的手段。在企业信息化的过程中，生产实时数据的整 合、利用成为不可忽视的难题，这就加速了实时数据库技术的发展和应用。通过实时 数据库平台来构建集控制、优化、调度、管理、经营于一体的企业综合自动化系统， 并为上层的e r p 等管理系统提供数据支撑，从而使实时数据库成为整个信息化系统中 的生产数据中心，在信息化建设中起着关键作用，主导了生产企业信息化建设的格局。 将z i g b e e 这种结构简单、使用方便、工作可靠、价格低廉的无线技术与实时数 据库技术相结合，对无线实时数据采集系统的推动具有广泛的应用价值。同时无线实 时数据采集系统的发展对提高企业的运行效率、提高企业的竞争力、降低运营成本也 具有十分重要的作用。本论文的工作正是结合z i g b e e 无线传感器网络技术和实时数 据库技术开发进行的，其目标是研制出基于z i g b e e 的无线传感器网络节点，实现 z i g b e e 无线传感器星型网基本应用，并通过组态软件将无线网络与实时数据库相结 合，构成无线实时数据采集系统，为进一步研究创造良好的基础。 1 1 1 无线传感器网络的特点和应用 无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。其 应用非常广泛，能够应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状 态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理等等。无线传感 器网络除了具有无线网络的移动性、断接性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的 特点，其主要特点如下【2 - 5 1 ： 山东理t 人学硕l j 学化论艾第一章绪论 1 、大规模网络和容错能力 为了获取精确的信息，在监测区域通常要放置数量庞大的传感器节点。大量的放 置节点可以增加监测区域的覆盖率。这样，通过不同空间视角获得的信息具有更大的 信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传 感器的精度要求，从而降低成本；大量冗余节点的存在，可以增强系统的容错性能。 2 、自组织网络和动态网络 在无线传感器网络应用中，传感器节点经常要被放置到没有基础结构的地方，如 广袤的原始森林或其他人类不能到达的区域，这时传感器节点的位置不能预先精确设 定，节点之问的相互邻居关系也不能预先知道，这就要求传感器节点具有自组织的能 力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据 的多跳无线网络系统。在无线传感器网络的实际使用过程中，部分传感器节点由于能 量耗尽或环境因素会造成失效，为了弥补失这些失效节点、增加监测精度而把一些新 的传感器节点补充到网络中，这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减 少，从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性保证了能够适 应这种网络拓扑结构的动态变化。 3 、多跳路由 网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直 接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行 路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备， 这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。 4 、传感节点体积小、成本低 无线传感器网络是在m e m s 技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点 各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是 必须考虑的设计要素。传感网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影 响到网络的总体成本，如果总体成本过高，势必会影响无线传感网络的竞争力。 5 、传感器节点由电池供电，节点能量有限。无线传感器网络节点通常由电池供 电，由于电池的能量有限，而且传感器节点一般要求较长一段时间不能更换电池，所 以不仅要求节点功耗要低，而且要求组网协议支持低功耗。 无线传感器网络由大量无线传感器网络节点组成，它借助于节点配备的形式多样 的传感器来测量、采集节点所在周边区域的多种数据，并以无线的方式传递汇聚到中 心节点，这些数据进一步可传到与中心节点相连的管理计算机上，管理计算机通过中 心节点管理控制网络，即可实现监测、采集及控制等功能。 综上所述，利用无线传感器网络建立的数据采集系统可以很好地解决因环境中不 确定因素变化所引起的各种问题，有着广阔的应用前景。 2 1 1 2z i g b e e 无线传感器网络 z i 2 b e e 是一种基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的短距无线通信技术，它是一种介于无线 标记技术和蓝牙之间的技术方案。它此前被称作h o m e r fl i t e 或f i r e f l y 无线技术， 主要用于近距离无线连接。它基于自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相 互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据 从一个网络节点传到另一个网络节点，所以它们的通信效率非常高。除z i g b e e 协议 外，常用的短距离无线通信技术还有：w i f i ( 8 0 2 1 l b ) 、b l u e t o o t h 、r f i d 等，它们 的性能比较如图1 1 所示，其中横坐标是信噪比，纵坐标为误码率1 。 图卜1几种短距离无线通信技术性能比较 与z i g b e e 技术相比，蓝牙太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小且协议栈较 大不适用于低端处理器、8 0 2 1l b 功耗较高、射频识别技术r f i d 主要作为识别等有 限领域和点对点应用，均不利于作为无线传感器网络的通信技术m 。 低功耗、传输速率低、低成本是z i g b e e 突出的的优势，这使其成为目前无线传 感器网络中作为无线通信应用的首选技术之一【6 1 。针对目前在蓝牙、8 0 2 1 l b 等短距 无线通信技术复杂、应用系统费用高，由于功耗高而不能很好的解决各测量点的供电 问题等情况下，z i g b e 技术无疑将成为无线数据采集系统组网的最好选择。 1 1 3 无线传感器网络节点的体系结构 无线传感器节点就是一个网络化的分布式嵌入式系统，通过无线信道实现网络间 的通信。为了减少通信量，在本地完成必要计算进行数据融合，从而协作完成部署空 山东珲t 人学硕f 。学位论文 筇一荦绪论 间数据的采集。传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个模块：传感器模块( 由 传感器和模数转换功能模块组成) 、处理器模块( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、存 储器、嵌入式操作系统等) 、无线通信模块( 由网络、m a c 、收发器组成) 、以及能 量供应模块1 7 州。节点体系结构如图1 2 所示。传感器模块负责监测区域内相关信息 的采集和获取；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的 数据或其它节点发来的数据；无线通信模块负责同网络内其它节点进行无线通信、传 递控制指令或收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供所需的能量。 图1 - 2 无线传感器网络节点的体系结构 1 1 4 实时数据库及其功能 实时数据库( r t d b r e a lt i m ed a t ab a s e ) 是数据库系统发展的一个分支，是数 据库技术结合实时处理技术产生的。实时数据库系统是开发实时控制系统、数据采集 系统、c i m s 系统等的支撑软件。在流程行业中，大量使用实时数据库系统进行控制 系统监控，系统先进控制和优化控制，并为企业的生产管理和调度、数据分析、决策 支持及远程在线浏览提供实时数据服务和多种数据管理功能。实时数据库已经成为企 业信息化的基础数据平台。 实时数据库的一个重要特性就是实时性，包括数据实时性和事务实时性。数据实 时性是现场i o 数据的更新周期，作为实时数据库，不能不考虑数据实时性。一般数 据的实时性主要受现场设备的制约，特别是对于一些比较老的系统而言，情况更是这 样。事务实时性是指数据库对其事务处理的速度。它可以是事件触发方式或定时触发 方式。事件触发是该事件一旦发生可以立刻获得调度，这类事件可以得到立即处理， 但是比较消耗系统资源；而定时触发是在一定时间范围内获得调度权。作为一个完整 的实时数据库，从系统的稳定性和实时性而言，必须同时提供两种调度方式。 实时数据库中存储的是实时数据，其值随时问的变化而变化，即具有时变性。一般 的实时数据库软件用于流程工业生产现场信息的采集、实时数据的管理，它是现场信 息集成的平台，起到了将现场底层信息与上层监控系统和管理信息系统连接的作用。 它采集、存储和管理生产过程中各装置的现场数据，为生产监控、事故预测、工艺改 4 山东理t 人学硕i 学位论叟第一帚绪论 进、质量控制等提供数据及应用工具，同时也是实施先进控制、计划调度和生产优化 等所必须的平台。实时数据库是工厂管控一体化的集成平台，它向下采集生产装置的 实时数据和操作信息，统一存储管理，为生产管理提供各种所需要的数据，同时为监控 系统提供实时数据，向上可与关系型数据库进行数据互访，从而将过程控制数据和事 务管理数据结合到一起，起到上下贯通、管控一体化的作用1 1 。 实时数据库是无线实时数据采集系统中不可缺少的部分。其主要功能如下： l 、汇聚生产实时数据，把各采集节点采集到的数据汇聚到计算机的信息系统中； 2 、加工采集过来的实时数据，可以对实时数据进行量程变换等初步处理； 3 、对采集到的数据进行一系列运算，如累计运算，逻辑运算，s p c 统计分析等； 4 、管理实时数据，处理实时报警，以流程图方式显示实时数据等； 5 、管理历史数据，提供趋势分析，历史查询等手段管理历史数据； 6 、提供各种组件如班组考核，物料平衡，快速多方面的浏览数据； 7 、对外提供数据接口，可以和关系数据库集成。 1 1 5 国内外研究现状 z i g b e e 的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个人区域网( p e r s o n a la r e a n e t w o r k ，p a n ) 工作组的一项标准，被称作i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术标准j 。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱 电气公司、美国m o t o r o l a 公司以及荷兰p h i l i p s 半导体公司四大巨头共同宣布加盟 “z i g b e e 联盟p p 9 研发名为“z i g b e e ”的下代无线通信标准，这一事件成为该项技 术发展过程中的里程碑。到目前为止，该联盟已有超过1 5 0 家成员企业，并在迅速发 展壮大，所有这些公司都参加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组。2 0 0 5 年4 月，第一家中国企业华为技术有限公司加入这一联盟。 c h i p c o n 、f r e e s c a l e 、c o m p x s 、e m b e r 四家公司在2 0 0 5 年4 月通过了z i g b e e 联盟对其射频收发芯片产品所做的测试和兼容性验证。在这一市场上，以挪威c h i p c o n 的市场占有率最高，其射频芯片c c 2 4 2 0 仍是各种z i g b e e 应用广为采用的芯片，目 前国内大多数z i g b e e 开发平台都基于这一芯片或c h i p c o n 公司其他的z i g b e e 芯片。 捷力半导体( j e n n i c ) z i g b e es o c 解决方案已于2 0 0 5 年l o 月进入量产，可算是第一个 量产z i g b e es o c 解决方案的芯片商。该公司自主开发m c u 、射频收发器及协议堆栈， j n 5 1 2 1 是第一颗符合8 0 2 1 5 4 及z i g b e e 标准的s o c 芯片。目前这一模块及其开发 包在国内由北京博讯科技进行代理销售，可应用于z i g b e e 产品的快速开发。 虽然实时数据库的发展并大规模应用是在上个世纪的事情，但在我国其并非普及 和大规模应用。近年，我国政府通过8 5 3 项目、c i m s 项目应用的研究和推广，大大 提高了企业的竞争力，但我国企业信息化整体水平与发达国家相比还有较大的差距， 5 山东珲t 人学硕i j 学位论丈第一章绪论 信息断层现象也普遍存在。 针对数据采集系统的实时、无线应用领域，国内目前采用无线技术连接数据采集 节点并采用实时数据库技术进行实时数据采集的应用还很少，少数采用无线技术的应 用也是使用价格昂贵、网络节点数量较少的蓝牙技术。随着科技的发展，工业设备的 结构和生产流程的日益复杂，电子技术的应用也越来越多，传统的数据采集系统逐步 显示出其局限性和落后性。以低功耗、结构简单的z i g b e e 无线传输网络和高性能的实 时数据库平台为基础，来构成实用的无线实时数据采集系统，提高数据的实时性，易管 理性已经成为现代数据采集系统的发展方向。 紧跟科技发展前沿，以现有的实时数据库技术和z i g b e e 技术为基础，以数据采集 与数字信号处理技术为依托，设计一套稳定性好、实时性强、功耗低、精确度高和使 用方便的无线实时数据采集系统具有十分重要的意义。 1 1 6 课题的意义 目苜i f z i g b e e 作为一项新兴的无线通信技术将其与实时数据库相结合，将对无线实 时数据采集系统起到很大的推动作用，同时无线实时数据采集系统的发展对提高企业 的运行效率、提高企业的竞争力、降低运营成本也有十分重要的作用。 1 2 论文的任务和本人的主要工作 本论文的任务是： 1 、在研究i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的基础上，完成z i g b e e 网络节点的硬件设计 并完成网络各节点通信的软件设计；构建z i g b e e 无线星型传输网络，实t o f l 。z i g b e e 星型 网的基本应用。主要工作包括z i g b e e 协议的研究、无线传感器网络节点系统方案的设 计、节点硬件原理图设计，节点硬件p c b 电路板制作、节点功能软件设计、硬件电路 的调试、软件的调试等。 2 、通过组态软件完成z i g b e e 无线星型网络和实时数据库的连接，实现基本的上 位机和无线传输网络的数据交互，并能应用实时数据库对实时数据进行管理。 本人的具体工作如下： ( 1 ) 学习和熟练掌握课题所需的工具软件，包括电路设计软件p r o t e l 9 9 s e ， 单片机仿真软件p r o t e u s ，组态软件和实时数据库。 ( 2 ) 在学习和研究z i g b e 通信协议标准的基础上，进行系统的总体规划和设计。 ( 3 ) 制作了无线传感器网络节点：包括硬件方案设计、节点的元器件及芯片选型、 硬件原理图及p c b 硬件电路设计、电子元器件的焊接及电路的调试。 ( 4 ) 在移植的z i g b e e 协议软件基础上，完成组网分析和星型网协调器节点、终端 6 山东胛t 人学硕l j 学位论文第一币绪论 节点的主程序设计。 ( 5 ) 使用开发的无线传感器网络节点，结合开发的z i g b e e 应用层软件和计算机管 理软件，对系统进行联合调试，实现t z i g b e e 星型网的基本应用。 ( 6 ) 使用组态软件完成z i g b e e 无线星型网络与实时数据库的连接，实现实时数据 库对采集到的数据进行实时管理，并设计了友好的人机界面，如数据采集系统监控主 画面、数据曲线图显示、报警显示、报表管理等，方便我们对数据采集现场进行控制。 7 山东理t 人学硕i j 学位论史第二章i e e e s 0 2 1 5 4 z i g b e e 卧议 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议 论文设计的无线传感器网络节点基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议。进行网络节点 的设计和星型网应用层的开发，必须深入了解i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的功能、原 理及协议栈框架。本章对z i g b e e 协议的特点、网络拓扑结构进行了介绍，并重点分析 - z i g b e e 协议栈。 2 1 z i g b e e 概述 z i g b e e 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其p h y 层和m a c 层协议为i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层的开发应用根据用户自己的应用需求，对其 进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式i l 引。 根据i e e e8 0 2 15 4 协议标准，z i g b e e 的工作频段分为3 个频段，这3 个工作频段相 距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段的调制 方式和传输速率不同。它们分别为8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中2 4 g h z 频段上， 分为1 6 个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申 请的的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为2 5 0 k b p s ，本文的设计就是选用了 该免费频段；另外两个频段为9 1 5 8 6 8 m h z ，其相应的信道个数分别为1 0 个信道和1 个 信道，传输分别为4 0 k b p s 和2 0 k b p s 。 在组网性能上，z i g b e e 设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每一个z i g b e e 组成的网络内，连接地址码分别为2 和2 6 4 个，具有较大的网络容量。 在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入( c s m a c a ) 方式，有效的避 免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通 信协议。 z i g b e e 设备为低功耗设备，其发射输出为o 3 6 d b m ，通信距离为3 0 - 7 0 m ，具有 能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率， 在保证通信链路质量的条件下，最小的消耗设备能量。 为保i i e z i g b e e 设备之间通信数据的安全保密性，z i g b e e 技术采用了密钥长度为 1 2 8 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。 目前，z i g b e e 芯片的成本在3 美元左右，z i g b e e 设备成本的最终目标是在l 美元以 下；z i g b e e 芯片的体积较小，如f r e e s c a l 公司生产的m c l 3 1 9 2 芯片的尺寸将会变得更 小，成本更低1 6 j 。 8 山东理t 人学硕l 学化论文第- 二市i e e l ? 8 0 2 15 4 z i g b c c 协议 - - 一m ；i i ； _ i i 蔓曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼! 曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼! ! 皇曼 2 2z i g b e e 技术的网络拓扑结构及特点 z i g b e e 以一个个独立的工作节点为依托，根据应用的需要，通过无线通信组成星 型、树状或网状网络，其中树状网和网状网同属对等网。星型的拓扑结构和对等网的 网络拓扑结构如图2 1 所示，其中f f d 为全功能设备，r f d 为版功能设备。在z i g b e e 网络中f f d 是具有转发与路由能力的节点，拥有足够的存储空间来存放路由信息， 并且处理控制能力也相应得增强；r f d 的内存小，但功耗低，在网络中作为源节点， 只发送与接收信号，并不起转发器路由器的作用。 星型拓扑 f f d or f d 对等拓扑 信息流 图2 _ 1z i g b e e 无线网络拓扑 1 、星型拓扑：星形网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行 通信，因此在形成星形网络的过程中，首先就是建立网络协调器。任何一个设备都有 成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层决定。一种简单 的策略是一个设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到 回应，说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个 网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个设备就可以建立 自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。当然，这里也存在网络协调器过期的 问题，如原有的网络协调器损坏或者能量耗尽或者偶然因素造成多个网络协调器竞争 9 山东理t 人学硕i 。学位论史 第：章i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b c e 协议 问题，如移动物体阻挡导致一个自己建立网络，当移动物体离开的时候，网络中将出 现多个协调器。 网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这 个标识符来规定白己的属主关系。不同星型网络之问的设备通过设置专门的网关完成 相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这 些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数 据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给目标设备。因此，协调器节点相对 于终端节点工作频率较多，能量消耗较大。星型网适合于网络节点较少、网络结构简 单、较小范围的网络应用。 2 、对等拓扑：在对等的网络拓扑中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其 他任何设备进行通信，任何一个设备都可以定义为p a n 主协调器。其中树状网络下 传感器节点被串联在一条或多条链上，链尾与终端传感器相连。这种方案在中间节点 失效的情况下，部分节点会失去连接。网状拓扑结构网络强健，伸缩性好，可以同时 通过多条路由通道传输数据，传输可靠性较高，但相对的功耗较大。 2 3z i g b e e 协议寻址方式 z i g b e e 网络的每一个节点皆有两个地址i l 列：6 4 位的m a c 地址及1 6 位网络地址。 通常称6 4 位m a c 地址为长地址，1 6 位网络地址为短地址。 每一个使用z i g b e e 协议通信的设备都有一个全球唯一的6 4 位m a c 地址，6 4 位 m a c 地址在配置文件中定义。当节点设备成功加入z i g b e e l 网络后，网络协调器会为 设备分配一个1 6 位短地址，在同一个p a n 网络内部唯一，因此需要和1 6 位的p a n 网络 标识符配合使用。 寻址方式分为单播和广播两种类型。单播：当单播一个消息时，数据包的m a c 报头中应含有目的节点的地址，只有知道了接收设备的地址，消息方才可以单播方式 进行发送。广播：要想通过广播来发送消息，应将信息包m a c 报头中的目的地址域 置为0 x f f 。此时，所有射频收发使能的终端皆可接收到该信息。 当接收设备在接收到数据包时，要判断数据包m a c 帧头中的目的地址是否为广 播地址，若为广播地址，则接收该信息，如果不是广播地址则只接收地址匹配的数据 包。若r f 射频芯片设置为硬件关闭自动地址识别模式，则接收设备在发现信号后不 进行地址识别，接收所有的数据包。 该寻址方式可用于加入一个网络、查找路由及执, 行z i g b e e 协议的其他查找功能。 z i g b e e 协议对广播信息包实现一种被动应答模式，即当一个设备产生或转发一个广播 信息包时，它将侦听所有邻居的转发情况。如果所有的邻居都没有在应答时限内复制 数据包，设备将重复转发信息包，直到它侦听到该信息包已被所有邻居转发，或广播传 1 0 山东理- r 人学硕l ：学位论文 第一：章i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b c e 协议 输时间被耗尽为止。 2 4z i g b e e 协议栈及各层规范 2 4 1 z i g b e e 协议框架 z i g b e e 协议比较紧凑、简单，由一组子层构成，每一层负责完成所规定的任务， 并且向上层提供服务。各层之问的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。从总体框 架来看，完整的z i g b e 协议栈由物理层p h y 、介质接入控制子层m a c 、网络层以及 应用层a