基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计

密级一般

分类号TP393硕士学位论文

作者：杨朋伟

指导教师：侯宏录教授

申请学位学科：

2009年4月20日

XI’ANTECHNOLOGICAL UNIVERSITY

基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计

测试计量技术及仪器

题目:

基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计

学科：测试计量技术及仪器

研究生签字：

指导教师签字：

摘要

Zigbee无线传感器网络技术是一种全新的短距离无线通信技术，广泛应用于智能控制、无线监控及环境监测等领域。目前，对于Zigbee无线传感器网络技术的应用还存在诸多问题，本文重点对无线传感器网络时间同步算法、低功耗系统设计开展深入研究。

1.对Zigbee无线传感器网络时间同步算法进行了全面分析研究,从降低同步开销和关键路径长度的角度出发，提出了两种应用于不同环境下的时间同步算法。1）当网络规模较小时，采用二层拓扑结构的Zigbee时间同步算法，该算法通过构造二层拓扑结构和时延估计的方法实现了ms级的时间同步精度.降低了时间同步开销；2）当网络规模较大时，采用多跳传感器网络时间同步算法，该算法通过构造较优拓扑结构和累计时延估计的办法降低了时间同步开销及关键路径长度。

2.通过对Zigbee协议栈的研究及分析，从低功耗设计的角度出发，完成了Zigbee低功耗无线数据采集及传输系统设计。主要内容包括如下几个方面：

1）完成了Zigbee无线网络节点的电路设计及相关应用电路设计，在此基础上，应用IAR7.20H开发平台完成了Zigbee无线网络节点的功能软件设计。

2）使用TI公司的CC2430芯片完成了Zigbee节点点对点无线通信的设计及Zigbee 简单网络节点通信设计。

3）完成了多路传感器数据采集接口的设计及Zigbee无线网络监控管理软件设计。

4）研究了无线网络节点功能软件的低功耗设计方法。

5）搭建了Zigbee低功耗无线数据采集及传输系统，对其进行了调试和实验，结果表明该系统在70m范围内工作稳定，误码率较低，时间同步精度较高，能够满足工业环境下的参数远程监控。

关键词：数据采集及传输；低功耗；无线传感器网络；时间同步算法；Zigbee

Design of Low-power Data Acquisition System

Based on Zigbee

Discipline:Measuring and Testing Technologies and Instruments

Student Signature:

Supervisor:

Ab Abstra stra stract

ct Zigbee wireless sensor network technology is a new short-range wireless communication`s technology,which is used widely in intelligent control,wireless control,environmental monitoring and other fields.At present,there are still some problems for Zigbee wireless sensor network technology.This paper focuses on wireless sensor network time synchronization algorithm and low-power system design.

1.Wireless sensor network time synchronization algorithm is analyzed and studied deeply,then two time synchronization algorithms used in different environments are proposed from the reduced synchronization overhead and critical path length point of view.1)The Zigbee time synchronization algorithm with two-story topology which realize the ms-level time synchronization accuracy and reduces the time synchronization overhead through the methods of constructing two-story topology structure and estimating the time-delay can be used when the network size is small;2)The multi-hop sensor network time synchronization algorithm which realize the better time synchronization accuracy ,reduces the time synchronization overhead and critical path length through the methods of constructing better topology structure and estimating the cumulative time-delay can be used when the network size is larger.

2.Through research and analysis for Zigbee protocol stack,the low-power wireless data acquisition and transmission system based on Zigbee is designed from low-power design point of view.The main work include the following aspects:

1)The circuit design of a Zigbee wireless network node and system application are completed.on this basis,the software design with the Zigbee wireless network node are completed in development platform IAR 7.20H.

2)The design of peer-to-peer wireless communications and Sample network node communication of those Zigbee nodes is completed by using TI's CC2430chip.

3)The multi-channel sensor data acquisition interface and Zigbee wireless network

monitoring and management software is designed.

4)the low-power design methodology for a wireless network node software is studied.

5)The low-power wireless data acquisition and transmission system based on Zigbee is builded and debugged.The results show that the system have some belifet with lower data error rate and high precision of time synchronization.It is able to meet the needs of remote monitoring of the parameters on industrial environment.

Key Words:data acquisition and transmission;low-power;wireless sensor networks;time synchronization algorithm;Zigbee

目录

1绪论 (1)

1.1Zigbee无线数据采集及传输网络描述 (1)

1.2研究Zigbee低功耗数据采集及传输系统的必要性 (1)

1.3本文的主要内容和结构 (2)

2无线传感器网络及IEEE802.15.4/Zigbee技术 (3)

2.1无线传感器网络技术 (3)

2.1.1无线传感器网络发展概况 (3)

2.1.2无线传感器网络的特点 (4)

2.1.3无线传感器网络的体系结构 (4)

2.2IEEE802.15.4/Zigbee技术 (5)

2.2.1IEEE802.15.4/Zigbee协议 (5)

2.2.2Zigbee无线传感器网络关键技术 (6)

2.2.3Zigbee技术优势 (7)

2.2.4Zigbee应用前景 (7)

3无线传感器网络时间同步算法的研究 (8)

3.1二层拓扑结构的Zigbee时间同步算法 (8)

3.1.1求区域簇首节点集 (9)

3.1.2求支配节点集 (9)

3.1.3二层拓扑结构的构造 (10)

3.1.4时间同步的实现 (10)

3.1.5算法性能分析 (11)

3.2无线传感器网络多跳时间同步算法 (11)

3.2.1最优拓扑结构的构造 (11)

3.2.2时间同步的实现 (12)

3.2.3应用举例 (12)

3.2.4算法性能实验分析 (13)

4Zigbee无线传感器网络的设计和实现 (14)

4.1Zigbee无线传感器网络的总体方案设计 (14)

4.2Zigbee节点硬件电路设计及测试 (15)

4.2.1硬件模块划分 (15)

4.2.2Zigbee无线通信模块设计 (15)

4.2.3系统应用电路设计 (21)

4.2.4电路板PCB图及其布线规则 (25)

4.2.5节点硬件实现 (26)

4.3Zigbee节点软件设计及关键方法实现 (26)

4.3.1液晶显示程序设计 (26)

4.3.2按键ADC采样方法及多级菜单显示的实现 (29)

4.3.3数据接收端程序 (29)

4.3.4终端节点主程序 (35)

4.3.5Zigbee网络节点发送及接收数据 (37)

5Zigbee低功耗数据采集系统的设计和实现 (42)

5.1A/D转换模块及数据采集程序设计 (42)

5.1.1ADC参考电压 (42)

5.1.2ADC初始化 (42)

5.1.3单次数据采集程序设计 (43)

5.1.4连续数据采集程序设计 (43)

5.2节点低功耗设计 (45)

5.2.1节点的休眠机制及节点休眠方法 (45)

5.2.2节点的低功耗设计 (45)

5.3Zigbee网络监控软件的设计 (46)

5.3.1Zigbee网络监控软件的总体设计 (46)

5.3.2网络监控软件关键方法及设计 (46)

5.3.3实验结果 (49)

6系统测试及结果 (50)

6.1点对点数据传输测试 (50)

6.2简单路由网络数据传输测试 (50)

6.3系统的功耗测试 (51)

6.4结果分析 (51)

7结论 (52)

参考文献 (53)

攻读硕士学位期间发表的论文 (56)

致谢 (57)

学位论文知识产权声明 (58)

学位论文独创性声明 (59)

1绪论

1绪论

1.1Zigbee无线数据采集及传输网络描述

Zigbee是一种短距离、低速率的无线传感器网络新技术，在非常短的时间内，Zigbee 技术得到了广泛的应用，它主要适合于自动控制和远程控制等领域。

简单的说，Zigbee是一种高可靠性的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

Zigbee是一个由可多到65000个Zigbee无线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无线传输模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee基站却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如，其所连接的传感器直接进行数据采集和监控；另外它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

1.2研究Zigbee低功耗数据采集及传输系统的必要性

在有线的数据采集及传输系统中，存在着布线麻烦、功耗大、代价高的特点；即便是采用传统的无线数据采集及传输方式，也存在着协议复杂、系统代价昂贵及功耗大的缺点。

ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议，能最大可能的节省网络中的能量，可随时接入大量节点，具有高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感器网络的首选网络协议。Zigbee可以嵌入各种设备中，由传感器和ZigBee装置构成的ZigBee无线传感器监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，同时，基于ZigBee技术的网络扩展能力很强，理论上，一个ZigBee网络可容纳65536个节点，适合于各种需要数据自动采集并要求网络传输的领域。

因此，考虑将Zigbee技术应用于数据采集及传输系统，从而实现对工业现场的智能控制，通过研究降低Zigbee节点功耗的方法来实现低功耗数据采集及传输，将具有重要的意义。

本设计通过在大连化物所能源工程楼太阳能光伏发电系统项目中使用Zigbee技术，

西安工业大学硕士学位论文

从而实现风能和太阳能发电系统中数据的传输,从而达到应用Zigbee技术实现低功耗数据采集及传输的目的。

1.3本文的主要内容和结构

本课题旨在建立一个基于Zigbee技术的低功耗数据采集及传输系统，应用这样的系统，用户能够通过计算机监控软件获取传感器采集的数据信息。

本文全面深入地对无线传感器网络以及IEEE802.15.4/ZigBee技术做了研究分析，从减小时间同步开销和时间累计误差的角度出发，研究了Zigbee无线传感器网络时间同步算法，提出了二层拓扑结构的Zigbee时间同步算法和多跳传感器网络时间同步算法。以IEEE802.15.4/ZigBee协议为基础，研究了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网络节点的硬件及软件设计，在此基础上搭建了基于Zigbee的低功耗数据采集及传输系统。本文对数据采集及传输系统进行了试验测试，给出了Zigbee节点通信的结论。最后，在服务端实现了传感器采集数据的监控系统。

论文的结构如下：

第1章绪论。简要介绍了本文的课题背景以及课题研究的必要性，概述了研究的主要内容，并介绍了本文的整体结构。

第2章无线传感器网络及IEEE802.1.5.4/ZigBee技术介绍。介绍了无线传感器网络的特点、应用、国内外研究态势，无线传感器网络的关键技术等概念。概述了ZigBee 技术发展、技术特点，并与其他技术进行了比较，描述了ZigBee技术的协议架构以及网络的体系结构。

第3章无线传感器网络时间同步算法的研究。针对传感器网络中同步误差累积和同步开销大的问题，提出了新的时间同步算法，通过构造拓扑结构和在网络节点之间传递时间同步报文来减小时间同步开销，通过时延估计技术来进行时间偏差补偿，进而减少时间累计误差。

第4章Zigbee无线传感器网络的设计和实现。对Zigbee节点的硬件及软件进行了设计和实现，搭建了Zigbee无线传感器网络系统。

第5章Zigbee低功耗数据采集系统的设计和实现。对Zigbee节点数据采集进行了设计及实现，分析了Zigbee节点的低功耗设计。

第6章系统测试及结果。对系统进行了试验测试，分别对星型网络及简单路由网络进行了测试，验证了试验结果。

第7章结论。对本文工作进行总结，并对后续工作进行了展望。