基于ZigBee技术的数据汇聚终端设计及应用

引言

实测数据采集和汇聚是智慧城市建设过程中获取原始数 据信息的关键，无线传感器网络是实现这一功能的最好选择, 而Zigbee技术是为低速率传感网络设计的标准无线协议栈, 具有低成本、低功耗、易安装、自组织网络等特点。本文 针对不提供充电电池或电源模块，需要采集众多节点数据且传 输数据量不大等需求，设计了基于ZigBee技术的数据汇聚系 列智能终端，能够实时完成数据采集、传输、汇聚等系列功能, 终端设备具有成本低、数据传输可靠性高、安全性高等特点, 后续可针对汇聚得到的数据进行分析、管理等相应操作。

基于ZigBee的数据汇聚智能终端主要由硬件设备和上位 机管理软件组成。硬件设备主要进行数据的采集、透传和汇聚, 设备类型分为协调器、路由器和终端三种,其中协调器负 责组建无线传感网，汇总路由器和终端设备上传的信息，进行 统计和分析，发布信息命令，并实时显示，动态管理；路由器 负责统计终端设备信息并进行预处理，然后根据协调器命令 进行上传和对终端设备操作；终端设备负责对用户数据进行 透传，发送本地采集的信息（例如局部范围内的温湿度和人体 红外检测）到路由器，协调器将汇聚信息发送给上位机数据 管理系统，进行综合处理。

1基于ZigBee的数据汇聚智能终端设计方法

针对需要多点数据采集或监控并且传输的数据量不大， 而要求设备成本低，数据传输可靠性高，安全性高，不便放 置较大的充电电池或者电源模块等情况下，进行数据采集、传输、分析处理和控制，设计了基于ZigBee的数据采集和无线 传输模块,在区域范围内实现数据采集、无线传输和管理功能, 通过设计的自组传感网络实时完成数据采集、汇聚、上传信息 化平台等系列操作。该智能终端设备根据采集数据覆盖 范围不同设计基本型和增强型两类。

1.1基于ZigBee的数据汇聚基本型终端设计

覆盖范围在100米左右的数据采集节点终端可选择基本 型，其设计过程如下。

（1）设备选型

CC2530的ZigBee网络节点PCB设计是硬件设计的关 键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。CC2530是用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 的片上系统（SoC） 解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点； 选择数字型传感器，并与一个高性能8位单片机相连接，例 如HTZ-001 （品牌名称）采用AM2302数字温湿度传感器进 行实测数据采集，电源IC选择AMS1117,并选用高效同步降 压转换器TPS62125,可针对低或超低功耗提供300 mA输出 电流的应用进行优化；或选择用高效率、超低功耗降压转换 器TPS62120,可在较高电流条件下保持平稳高效的工作状态, 可自动从省电模式转为固定频率脉宽调变（PWM）模式。

（2）核心板电路设计

核心板电路主要包括射频电路设计和晶振电路设计。其 中，射频电路设计采用50 Q单极子天线，由于CC2530的差 分射频端口具有两个端口，而天线是单端口，因此需采用巴伦 电路（平衡/非平衡转换电路）完成双端口到单端口的转换。 巴伦电路由电感（L1、L2，，3）和电容（C»、C9、C10、C11、C12）构成。

CC2530有4个晶振，2个内部（16 MHz RC晶振和32 kHz RC晶振），2个外部（32.768 kHz的石英晶振和32 MHz的石英晶振），石英晶振的精度高，耗电大，启动慢。RC晶振精度低一点, 耗电小，启动快。在上电时，默认是使用内部的两个晶振，因为 内部这两个RC晶振速度快。外部的32.768 kHz石英晶振也可以 不接。32.768 kHz晶振用于要求非常低的睡眠电流消耗和精确唤 醒时间的应用，两个低频晶振不能同时上电，即不能同时起振。

（3）底板电路设计

底板电路主要包括电源部分设计、外围接口电路设计、 指示部分设计和传感器电路设计。其中，电源部分有三种输 入方式，可根据不同种类电源接入，选择不同电源接口方案。 第一种是通过USB接口提供5 V电源，第二种是通过电源适 配器提供5 V电源，第三种是通过9 V电池供电。

接着，根据不同节点的负载情况，选择不同的电源解决 方案。第一种电源IC为AMS1117-3.3V，作用是将输入的5 V 电源转为3.3 V电源，给各个模块及核心板供电，最大能提供 800 mA的电流；第二种电源IC为TPS62125,它是一款高效 同步降压转换器，此转换器针对低和超低功耗提供300 mA 输出电流的应用进行了优化，3 V至17 V的宽输入电压范围支 持4节干电池和1至4节锂离子电池串联配置及9 V至15 V供 电类应用，静态电流典型值13峪,停机电流典型值350 nA。 小型2 mmX2 mm小外形尺寸无引线（SON） 8引脚封装；第 三种电源IC为TPS62120,是一款高效同步降压转换器，支 持最高75 mA输出电流，2 V至15 V的宽输入电压范围，支 持能量收集、电池供电和9 V或12 V的线性供电应用，小型 SOT8PIN封装或2 mmX2 mm小外形尺寸无引线（SON） 6引 脚封装。

（4）协议栈软件总体设计

系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软 件设计是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关 键所在。节点设计基于通用性及便于开发的考虑，移植了 TI 公司的ZStack协议栈，其主要特点就是其兼容性，完全支持 IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系统解决方案。

TI的ZStack装载在一个基于IAR开发环境的工程里, IAR Embedded Workbench除了提供编译下载功能外，还可 以结合编程器进行单步跟踪调试和监测片上寄存器、Flash数 据等。ZStack根据IEEE 802.15.4和ZigBee标准分为应用层、 网络层和应用支持层、数据链路层、介质访问层和物理层。用 户可以使用IAR打开工程文件SampleApp.eww后，即可查看 到整个协议栈从HAL层到APP层的文件夹分布并加以修改。 1.2基于ZigBee的数据汇聚增强型终端设计方法

增强型终端设备是针对数据采集覆盖范围超过200米以 上需求而设计的，关键是在基本型终端基础上，增加CC2591 射频前端，使之有更远的传输距离和良好的信号质量。

ZigBee网络节点Layout设计是硬件设计的关键，它同时 具备数字电路与高频电路的特点，元件布局应尽量紧凑、美观; 在数字信号线走线上做到自然、平滑;高频部分包括匹配电感、 电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；PCB板的 尺寸为长宽高35 mmX30 mmX1.6 mm,接口为6X2双排插 针和7X2双排插针，间距2.54 mm。接口管脚定义为TI的标 准接口。

2实验结果与性能分析

为了测试基于ZigBee数据汇聚智能终端性能，设计如下 试验策略。首先通过实测样本验证普通终端数据采集汇聚上 传整个过程；接着采用增强型智能终端来测试实测数据汇聚 上传和数据覆盖范围性能；然后利用放置在移动冷链物流车 上用于温控监测的终端设备，结合使用GPS模块，测试远距 离数据采集汇聚终端性能。

2.1普通终端设备数据采集汇聚，性能测试

利用两个基本型温湿度数据采集汇聚模块，将其中一块 作为协调器，另一块作为终端，终端发送“LED”字符，协调 器接收，判断是不是“LED”，如果是，则LED灯闪烁。该设 备采用8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路 数字量输出接口和1个RS 232接口。

测试环境包括：①空旷视距；②天气晴朗；③电源充足 （DC-5 V,供电电流100 mA以上）；④离地高度1.2 m ；⑤测 试天线2.4 GHz Antenna-10 cm,增益3 dBi ；⑥天线水平垂 直放置。

（1）通信距离及功耗测试

经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离 120 m,测试结果见表1 ；最大输出功率10 dBm ；接收灵敏度

—97 dBm ；功耗方面：接收模式24 mA,发送模式29 mA, 低功耗模式0.4 uA。

影响传输距离的情况包括：①电源不稳，供电电压不够, 或者输出电流不足（本模块供电电压要求3〜17 V,输出电流 在60 mA以上）；②中间有障碍物，非视距由于2.4 GHz频 段，波长较短，基本上是直线传输，且穿透力较差，所以中

间有路面坡度、障碍物对传输距离影响较大（人，树木也会遮 挡）；③模块放置未达到要求。一般情况下，若离地间隙少于

50 cm,微波是很容易被地面吸收的，所以离地高度测试是在 1 m以上；两模块须在同一水平面上，高度有落差也会影响测试距离。④其他因素影响，如一般晴天会比阴雨天好。

(2)通信数据测试

在开始测试之前，需在PC上自行安装好以下软件:IAR Embedded Workbench, SmartRF Packet Sniffer、SmartRF Studio7、ZTOOL、串口调试工具等，仿真器通过USB接口直 接连接到电脑端,再连到HTZ系列终端设备，可实时在线仿真、 调试。CC Debugger配置红/绿双色指示灯1颗，其指示状态 如表2所示。

CC Debugger与终端模块(下文简称为一个“节点”)配 合使用，即可实现Packet Sniffer (协议分析仪)的功能，测试 环境如图2(a)所示。

为方便功能测试，首先，将节点1配置为数据发送端, 节点2配置为数据接收端，连接CC Debugger与节点2,保 持CC Debugger和节点2连接，见图2(b),启动SmartRF Packet Sniffer，在下拉菜单中选择 “IEEE 802.15.4/ZigBee” ； 接着，点击“Start”按纽，进入Packet Sniffer界面，工具栏 下拉菜单中可选择不同ZigBee协议版本，按发送端数据格式 进行选择;然后，将最下面的“Select channel”选项中设置“监 听”的频率值，默认为2.405 GHz,可用键盘上下键进行修改, 注意请将此值与发送端匹配；最后，点击“play”即可开始进 行“抓包”实验，按下节点1的S1键开始发送数据，节点2 的LED灯闪烁表示接收到数据，同时Packet Sniffer得到内 容如图2(c)所示，测试结果显示，可完整接收数据，未出现 丢包现象。

(a)测试环境示意图

(b) CC Debugger 连接图

(c) Packet Sniffer 显示内容

图2数据采集汇聚测试过程

2.2增强型终端设备数据采集和汇聚性能测试

利用两个HTZI系列增强型终端，将其中一块作为协调器, 另一块作为终端，终端发送“LED”字符，协调器接收，判断 是不是“LED”，如果是，则LED灯闪烁。设备采用8路模拟 量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口， 1 个RS 232 和 1 个RS 485 接口。

(1)节点通信距离测试

增强型终端设备经实地测量，在加功率增益的情况下有 效传输距离500 m,测试环境如普通型相同，其测试结果见表3。 经测试，影响传输距离的情况与基本型一致。

表3性能测试结果

( 2)节点通信质量测试

同基本型测试通信质量过程相同，Packet Sniffer显示测 试结果：可完整接收数据，未出现丢包现象；在本过程中增 加了网络容量和可靠性测试，利用一个协调器和100个终端节 点进行组网通信测试，测试结果显示：网络内200个节点通 信时稳定可靠，无丢包现象。

2.3放置在运动的冷链物流车上数据汇聚终端，性能测试

冷链管理是高端产品在加工、贮藏、运输、销售等环节 保证产品质量的关键，温控技术是冷链管理的核心。将基于 ZigBee的温湿度数据汇聚智能终端放置在运动的冷链物流车 上用于温控以测试远距离数据采集汇聚终端性能，其测试性 能可视化界面如图3所示。利用基于ZigBee的温湿度数据汇 聚智能终端，结合运用ZigBee、RFID、GPRS、GIS、GPS 等技术，设计完成智慧冷链管理平台，实时监控冷链物流运 输和配送环节中物品状态，有效解决了目前冷链物流企业货 况运输管理问题，收到了良好的社会和经济效益。

(a)实测温湿度数据显示

(b)温湿度变化曲线

(c)实测数据上传信息化平台显示

图3数据汇聚终端设备在冷链运输过程中完成温湿度监测

3结语

针对智慧城市建设中涉及的实测数据采集困难和汇聚复 杂等问题，设计了基于ZigBee技术的数据汇聚系列智能终端 设备，利用ZigBee的低功耗特点，提供了基本型和增强型两 种选择模式，规划了 800 mA、300 mA和75 mA的3种电 源处理方案，实现了实测数据无线采集汇聚上传平台等功能。 将大量数据汇聚终端设备应用于智慧冷链物流运输进行温控 实时测试，验证了该设备实时数据采集和汇聚的稳定性和有 效性，后续将加大该终端的工程应用范围。

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