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论文关键词：数据采集 ZigBee CC2430 C8051F020
论文摘要：以C8051F020和射频芯片CC2430为核心设计了低功耗的无线数据采集系统，文章介绍了ZigBee技术、并给出了基于ZigBee的无线数据采集系统的组成，最后通过使用CC2430芯片完成了采集节点、主控单元的硬件与软件设计，实现了数据的采集和无线传输。
数据采集是现场中应用最广的技术之一,企业在生产时需要实时监测电压、温度、压力、流量的变化。现有的采集系统大多采用预先布线，通过有线方式进行数据采集,主要存在的问题有：扩展性较差、布线繁琐、不方便对移动设备监测，不能进行临时数据采集。为此本文介绍了如何利用射频芯片CC2430与C8051F020实现基于ZigBee的无线数据采集系统。
1. ZigBee简介
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线协议，主要应用于低速率，低功耗设备的组网，支持250kbit/s的数据传输速率，可以实现一点对多点的快速组网。ZigBee技术的主要优点有省电、可靠、低、时延短、网络容量大、安全。
完整的ZigBee协议栈由层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成。IEEE 802.15.4定义了物理层和介质访问控制层协议, 网络层和安全层由ZigBee联盟制定,应用层根据用户自己需要,对其进行开发利用。无线通信技术上,采用免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式避免了无线电载波之间冲突。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。
ZigBee设备为低功耗设备,其发射输出功率为03.6dBm,通信距离为30～70m,具有能量检测和链路质量指示能力,根据这些检测结果,设备可以自动调整发射功率,在保证通信链路质量的条件下,最低限度地消耗设备能量。在组网性能上,ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络。在每一个ZigBee组成的无线网络中,连接地址码分为16bit短地址码或者64bit长地址码,具有较大的网络容量[1,2，3]。
2.系统设计
数据采集系统核心控制单元采用先进的C8051F020嵌入式单片机作为核心部件,通过CC2430与采集节点进行数据通信，并将数据采集结果在LCD液晶屏上显示，也可利用RS-485通信接口与上位机通信。数据采集节点主要是将捕捉的现场信号经转换器ADC采样、量化、编码后,变成数字信号传给微处理器,并无线发送数据，主控单元的主要工作是接收数据信息、进行采集节点、数据处理和数据管理，系统结构如图1所示。
采集节点 主控单元
图1 系统结构框图
为实现ZIGBEE通信，选用CC2430为通信处理核心器件。CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2430除了包括RF收发器外，还集成了加强型8051单片机、它具有2/64/128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，以及ADC、看门狗等。CC2430可工作在2.4 GHz频段，采用低电压(2.0～3.6 V)供电，待机时电流消耗仅0.2μA，但灵敏度高达-91dBm、最大输出为+0.6dBm、最大传送速率为250 kbps。CC2430仅需添加少量的外围元件就可以完成ZIGBEE通信功能的硬件实现。
C8051F020是Cygnal公司推出的基于CIP—51内核的SOC芯片，在硬件设计上它采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降到1个，因此指令执行速度有很大的提高。具有64个I/O引脚,每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出，可以满足本系统IO口需要。该芯片除了具有标准8052的数字外设之外，片内还集成了许多有用的模拟和数字外设及功能部件，如模拟多路开关、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器等,支持在系统编程和调试等，本系统主控单元由C8051F020与CC2430共同完成数据的收集、存储、显示，电路参见下图。
图2 CC2430电路原理图
4.系统软件设计
ZigBee网络支持3种类型拓扑结构：星形结构，网格状结构和族状结构，本系统使用星形网络实现，网络配置一个协调器和多个终端节点，在星形网络中所有的终端设备都只与协调器通信，为实现这一功能，协调器必须知道每个采集节点的网络地址，这就需要每个节点在加入网络后把网络地址发送给协调器，协调器收到网络地址后建立地址表存储起来，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。IEEE802.15.4MAC数据包最大长度为127字节，每个数据都由头字节和16CRC值组成，在数据传输中使用应答数据传传输机制，设置ACK标志位为1的帧会被接收器应答，如果在一定期限内未收到应答，则证明采集节点发生错误。主控单元CC2430软件流程图如图3所示。
图3 CC2430软件流程图
当协调器收到信息时，根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里；若是传感器采集的数据信息，则把该数据处理后上传到C0851F020,待把整个监测区域的传感器数据采集完毕后，根据内部的数据做融合，并把最终结果在LCD上显示。当用户通过上位机监测系统发送通信请求时，单片机将有效数据通过通过串口发给上位机，用户通过上位机可以完成数据的收集、图表绘制、数据、数据分析等工作。
5. 结束语
通过软硬联调,可实现数据发送与接收,并实现简单的数据统计与显示，通过串口可以将数据上传至上位机，网络的组网及路由效果良好,在短距离内,星形网络的连接通畅,各节点设备之间能实现通信.缺点是未能实现动态组网，整个数据系统必须以主控器为中心，不利于动态使用。
本项目完成了无线数据采集系统整体架构设计和底层硬件的具体实现,并达到了预期要求，系统稳定性、响应速度等性能都满足实际需求。该系统可同时对多个区域进行监测，安装维护简单，可以根据具体要求在数据采集模块上进行相应传感器的扩充以完成特定数据采集。
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