基于zigbee技术的仪器设备管理系统设计(论文)(编辑修改稿)

基于zigbee技术的仪器设备管理系统设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

术传送的数据量不大，传输速率低，因此信号收发耗时很短；在非运行模式下 ZigBee 节点处于睡眠状态。 普通情况下两节五号干电池可以持续供电 6 个月到 1 年左右。 （２）可靠性： ZigBee 的媒体接入控制层使用了免碰撞机制和重发机制，同时预留了专用时隙满足需要固定带宽的通信业务，避免了数据传输时的冲突。 只有确定的数据传输模式被 MAC 层支持，每个数据包都必须等到接收方的确认信息后再发送出去，这样建立了可靠的通信模式。 （３）时延短： 唤醒休眠状态和通信时延的时延都很短。 装置搜索时延为 30ms，唤醒休眠状态时延为 15ms，活动装置网络接入时延为 15ms。 这样既降低了能耗，也更适应于对时延要求高的情况。 （４）网络容量大： ZigBee 可采用星状、串状和网状等网络结构， ZigBee 是一个由可多到 65000 个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平台，在整个网络范围内，每一个 ZigBee 无线数据传输模块之间可以相互通信。 （５）安全性： ZigBee 加密算法使用。 系统设计的总体方案 系统的总体介绍 本系 统由数据汇聚模块，监测模块和上位机三部分组成。 数据汇聚模块负责组建 ZigBee 网络，完成监测模块与上位机（ PC）数据的透明传输；监测模块负责采集、存储、上传仪器设备信息。 数据汇聚模块通过 USB 口与上位机相连。 上位机有监控界面可以监测仪器设备使用情况（监测模块位置在数据汇聚模块的网络覆盖范围内），多个监测 兰州交通大学毕业设计（论文） 6 节点置于不同的监测区域，每个监测节点把数据传给汇聚节点，在汇聚节点完成数据融合，然后汇聚节点把数据通过 USB 口传给上位机做进一步处理并显示给管理员。 上位机监控界面需要显示所有仪器设备的地址，设备的使用情况等。 ZigBee 无线技术采集网络方案 ZigBee 定义了两种设备 :全功能设备 ( FullFunction Device,FFD)和精简功能设备( ReducedFunction Device,RFD)。 支持星型、树型和网状型 3种网络拓扑结构。 每个 ZigBee的网络需要一个全功能设备作为网络协调器（ coordinator)或者路由器 ( router) ,精 简功能设备作为终端 ( end device)。 网络协凋器节点、路由节点和终端节点这 3种节点类型都是网络层概念。 它们的部署决定了网络拓 扑形式。 不论 ZigBee 网络采用何种拓扑方式。 网络中都需要有一个并且只能有一个网络协调器节点。 它是整个网络的规则制定者 ,管理整个 网络的设备。 它可以选择信 道 的频段 ,允许加入节点 和删除节点。 路由节点可以转发数 据 ,延 伸 ZigBee 网络规模。 主要用于树型和网型拓扑结构中。 路由节点不能够休眠。 终端节点主要任务是发送和接收信息。 节点类型的定义和节点在应用中所起到的作用并不相关。 ZigBee 网络的支持星型 ,树状型和网状型 3种网络拓扑结构 ,如图。 图 ZigBee 网络拓扑结构 以上 3 种网络拓扑结构中星型网络由一个 PAN 协调器和多个终端设备组成 ,只存在协调器 路由器 终端设备 星形网络 网状网络 树状网络 兰州交通大学毕业设计（论文） 7 PAN 协调器与终端 设备的通讯 ,终端设备间 的通讯都需通过 PAN 协调器的转发。 树状型网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成 ,设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通 讯外 ,其他只能通过树 状路由完成消息 传输。 网状型网络 是树状网络基础上实 现的 ,与树状网 络不同的 是 ,它允许网络中所有具 有路由功能的节 点直接互连 ,由 路由器中的路由表配合实现消息的网状路由。 该拓扑的优点是减少了 消息延时 ,增强了 可靠 性 ,缺点是需要更 多 的存储空间开销。 ZigBee 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。 ZigBee 网络具有动态性 ，它 的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。 这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 结合仪器设备分布实际 情况 ,网络采用树状网络结构 ,包 含传感器的终端节点 ,路由器节点和网关节点 ,整个采集网 络平面如下图所示。 图 ZigBee 无线传感网络 兰州交通大学毕业设计（论文） 8 硬件节点设计方案 协调器节 点 :协调器节 点含有 PC 通信 接口 ,实现与上 位机 的通信。 功放和天线 ,负 责与其它主控节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数 据。 电源单元 供给整个节点电源分配。 图 为协调器节点硬件框图。 图 协调器节点硬件框图 路由和终端节点 :路由和终端节点由传感器，数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等 功能模块组 成 ,如图。 传感器负责采集监视区域的信息并完成数据转换。 数据处理单元以 CC2430 为核心处理器负责控制整个节点的处理操作、功耗管理以及任务管理等。 数据传输单元由功放和天线 等组成 ,负责与其他 主控节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。 电源单元为整个系统供电。 图 为路由和终端节点框图。 图 路由器和终端节点框图 CC2430 功放和天线 PC 上位机 电源管理模块 CC2430 功放和天线 电流互感器 电源管理模块 兰州交通大学毕业设计（论文） 9 3 系统硬件设计 系统硬件总体设计 系统硬件总体设计方案如下图所示： 图 系统硬件总体设计方案 图 中的 CC2430 射频传输控制模块主要负责基于 ZigBee 协议的无线通信； USB控制器主要功能是将上位机的 USB 信号转换成 TTL 信号进行通信；电源管理模块为整个系统提供 12V、 5V 和 三路电；外设部分包含了系统中全部的外部资源，分别是：CC2430 仿真器和电流互感器。 其中射频传输控制模块是整个系统的核心。 ZigBee 模块的设计主要参考 CC2430 芯片数据手册的参考电路。 系统中采用 CC2430 芯片作为核心部件， CC2430 有 两种工作电压，性能稳定且功耗极低。 工作时只需要配置少数的外部元器件来完成信号的收发。 它集成了 RF 收发器，可编程内存和一个具有 8051 内核的为控制器、 21 个可编程的 I/O 口引脚和 14 位模数转换器。 本设计主要完成的功能，是对实验室的仪器设备进行管理。 整个电路图主要分为四大部分：一是核心部件 CC2430 芯片的电路设计，负责数据处理和无线信号的收发。 二是电源部分，把外部 12V 的电压转换成所需要的 5V 和 V 电压。 三是输出转换电路，与计算机进行通信时，需要采用 PL2303X 芯片对通信信号进行转换，将 TTL 信号转换为 USB 信号。 四是仿真调试电路，利用仿真器，对实验电路板进行性能调试，同时可以对系统进行编程，实现其功能。 USB 线缆 USB 控制器 CC2430 射频传输控制模块 电源管理 模块 外设部分 通用 I/O DC 复位 兰州交通大学毕业设计（论文） 10 射频模块设计 硬件部分的设计主要以系统中的核心模块 —— 射频传输控制模块来展开说明。 射频传输模块使每个终端可以和其他设备进行通信包括网络维护和数据传输。 无线射频收发芯片的种类和数量繁多，其工作的频段也有 433MHz， 968MHz,以 及 ZigBee 使用的 GHz 等。 目前 Chipcon、 Freescale 等公司都着力于开发工作在 的 ZigBee 适用的芯片。 选用理想的无 线收 发芯片可以减少开发难度 ,缩短开发周期 ,降低成本 ,更快地 将产品推向市场。 选择 的无线收发芯片时也应考虑了收发芯片所需的外围元件数量、发射功率、收发芯片的封装和管脚数几个因素，最终选用 Chipcon 公司的 CC2430 ZigBee 传输芯片。 CC2430 芯片 CC2430芯片延用了以往 CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了 ZigBee射频 (RF)前端、内存和微控制器。 它使用 1 个 8 位 MCU(8051)，具有 128KB 可编程闪存和 8 KB的 RAM，还包含模拟数字转换器 (ADC)、几 个定时器 (Timer)、 AES128 协同处理器、看门狗定时器 (Watchdogtimer) 、 32KHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Poweronreset)、掉电检测电路 (Brownoutdetection)，以及 21 个可编程 I/O 引脚。 CC2430 包含一个增强型工业标准的 8 位 8051 微控制器内核，运行时钟 32MHz。 包含一个 DMA 控制器，具有 8KB 的静态 RAM,其 中的 4KB 是超低功耗 SRAM。 32kB、 64kB或 128kB 的片内 Flash 块提供电路可编程非易失性存储器。 集成了 4 个振荡 器用于系统时钟和定时操作：一个 32MHz 晶体振荡器、一个 16MHzRC 振荡器、一个可选的 晶体振荡器和一个可选的 RC 振荡器。 同时也集成了用于用户自定义应用的外设。 一个 AES 协处理器被集成在 CC2430 内，以支持 IEEE MAC安全所需的 (128 位关键字 )AES 的运 行 ,以 实现尽可能少地占用微控制器。 中断控制器为总共 18 个中断源提供服务，其中的每个中断都被赋予了 4 个中断优先级之一。 调试接口采用两线串行接口，该接口被用于电路调试和外部 Flash 编程。 I/O 控制 器的职责是对21 个通用 I/O 口的灵活分配和可靠控制。 CC2430 内部结构如图 所示： 兰州交通大学毕业设计（论文） 11 图 CC2430 内部结构 CC2430 的主要性能参数如下： (1) 采用 IEEE 规范要求的直接序列扩频方式； (2) 数据速率达 250Kbps，码片速率达 2MChip/s； (3) 采用 OQPSK 调制方式； (4) 超低电流消耗 (， TX： )，高接收灵敏度 (95dBm)； (5) 抗邻频道干扰能力强 (30/45dB)； (6) 内部集成有 VCO、 LNA、 PA 以及电源整流器，采用低电压供电 (~)； (7) 输出功率编程可控； (8) IEEE MAC 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、 16bit CRC 校验、电源检测、完全自动 MAC 层安全保护 (CTR、 CBCMA)； 兰州交通大学毕业设计（论文） 12 (9) 与控制微处理器的接口配置容易 (4 总线 SPI 接口 )； (10) 开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件； (11) 采用 封装，外形尺寸只有 7*7mm。 ZigBee 射频模块设计 无线通信模块包括 CC2430 芯片及其相关外围电路。 由于 CC2430 将 8051 内核与无线收发模块集成到了一个芯片当中，从而简化了电路设计过程，省去了单片机和无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了硬件开发周期。 CC2430 芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。 电路使用一个非平 衡天线 ,连接非平 衡变压器可使天线性能更好。 电路中的非平衡变压器由电容 C7 和电感 L L L3 以及一个 PCB 微波传输线组成，整个结构满足 RF 输入 /输出匹配电阻 (50Ω)的要求。 R2 和 R1 为偏置电阻，电阻 R2 主要用来为 32MHz 的晶振提供一个合适的工作电流。 用 1 个 32MHz 的石英 谐振器（ XTAL1）和 2 个电容（ C11 和 C10）构成一个 32MHz 的晶振电路。 用 1 个 8 KHz 的石英谐振器（ XTAL2）和 2 个电容（ C8 和 C9）构成一个 KHz 的晶振电路。 电压调节器为所有要求 电压的引脚和内部电源供电， C12 和 C13 电容是去耦合电容 ,用来电 源滤波 ,以提高芯片 工作的稳定性。 其电路原理图如图 所示： 图 基于 CC2430 的 ZigBee 收发电路原理图 兰州交通大学毕业设计（论文） 13 射频模块包含 CC2430 及其基本外围 电路 ,包括 供电、时钟和 天线 ,在将程序 烧入其内部 ROM 以后就可以实 现各种功能。 射频模块。