引言

　　動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集有著采集范圍大、采集點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)通信困難、布線空間有限、自動(dòng)作業(yè)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的以總線方式組成網(wǎng)絡(luò)的采集系統(tǒng)很難滿足這種應(yīng)用要求。在此動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想，探討一種基于ZigBee協(xié)議無線傳榆的設(shè)計(jì)方案，具有低功耗、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)展好、體積小、成本低等特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)瓶頸，并具有新的優(yōu)異特性。

　　數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段，作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，數(shù)據(jù)采集技術(shù)是包括了傳感器技術(shù)、信號處理、數(shù)據(jù)通信、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往很難實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，有著采集范圍大、采集點(diǎn)眾多、布線空間有限、體積小、自動(dòng)作業(yè)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的以總線方式組成網(wǎng)絡(luò)的采集系統(tǒng)很難滿足這種應(yīng)用要求。于是，在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，無線通信技術(shù)有了用武之地。

　　短距離無線通信技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為在智能家居內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)、管理、監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫣峁┝擞行緩?。特別是新一代短距離無線通信技術(shù)ZigBee的出現(xiàn)，使家居智能化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)成為可能。ZigBee技術(shù)的突出優(yōu)勢在于其組網(wǎng)能力強(qiáng)、功耗低，成本低，對家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)提供了極大的便利。通過ZigBee無線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對家居內(nèi)各種傳感器和終端控制器的組網(wǎng)控制，形成一個(gè)智能的家庭感知網(wǎng)絡(luò)。

　　ZigBee無線通信技術(shù)是近幾年涌現(xiàn)的一項(xiàng)熱門，目前已有350多家國際企業(yè)加入ZigBee聯(lián)盟組織，以推廣ZigBee技術(shù)，使其成為的無線網(wǎng)絡(luò)、傳感、控制標(biāo)準(zhǔn)并在范圍內(nèi)應(yīng)用于消費(fèi)電子、能源、家庭、商業(yè)和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域[24]。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，這是IEEE無線個(gè)人局域網(wǎng)（PAN, personal area network）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)類似移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的CDMA或GSM網(wǎng)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上多可支持65535個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的通信距離可以從75m開展到數(shù)百米甚至幾公里。

　　在此探討的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成，以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)借鑒無線傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思想，采用TI公司的低功耗微處理器MSP430系列微處理器芯片和FLASH芯片分別作為處理芯片和存儲(chǔ)單元；采用USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232BM將USB口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)串口，這樣用戶就可以像操作普通的串口那樣來操作USB，用來完成MSP430的BSL電路和MSP430與PC的串行通信接口；采用CC2420模塊完成了支持802.15.4／ZigBee協(xié)議的無線通信模塊設(shè)計(jì)。開發(fā)出的硬件平臺(tái)既可以作為終端采集節(jié)點(diǎn)，又可以作為通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS（TinyOS操作系統(tǒng)是源于伯克利分校，研究人員設(shè)計(jì)該系統(tǒng)是專門針對于傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)）到MSP430微處理器，使用nesC語言（NesC由C語言擴(kuò)展而來，用來描述TinyOS的執(zhí)行模型和結(jié)構(gòu)，它是TinyOS的編程語言，也是TinyOS的開發(fā)工具）編寫應(yīng)用程序。系統(tǒng)以溫度作為采集變量，建立了一個(gè)具有采集溫度數(shù)據(jù)、預(yù)處理、打包無線傳輸功能的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。并利用終端節(jié)點(diǎn)的PC接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能，完成網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

　　1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　1.1 節(jié)點(diǎn)的一般結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括了傳感器數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元和電源管理單元，以及用戶接口等一些擴(kuò)展設(shè)計(jì)單元，如圖1所示。

　　1.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求

　　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要有3點(diǎn)要求。，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集對象往往是目標(biāo)的溫度、濕度、速度等參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)需要在無人環(huán)境下長期正常工作，因此低功耗設(shè)計(jì)是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首要要素，而ZigBee的特點(diǎn)就是低功耗，剛好滿足系統(tǒng)的要求；第二，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理數(shù)率較低、數(shù)據(jù)傳輸量少、主要采用無線傳輸?shù)男问?，因此選擇無須許可的、合適、低價(jià)的通信方式是保證動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，ZigBee的另一個(gè)特點(diǎn)就是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不能太大。第三，本系統(tǒng)采集的對象主要是針對飛禽走獸等野生動(dòng)物，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的方便，采集節(jié)點(diǎn)還必須要滿足體積小、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　1.3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　目前，2種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究平臺(tái)是mica系列和telos系列節(jié)點(diǎn)，它們采用目前應(yīng)用廣泛的TinyOS嵌入式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件是設(shè)計(jì)參考telos平臺(tái)，是telos平臺(tái)再設(shè)計(jì)過程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)弱化傳感器部分的設(shè)計(jì)，對無線通信模塊選用射頻模塊電路，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在微處理器模塊地電路實(shí)現(xiàn)上。同時(shí)，為了增加動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用性，添加了PC接口電路，使得本設(shè)計(jì)可以作為動(dòng)態(tài)終端節(jié)點(diǎn)，亦可以作為服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)。在電源管理上，當(dāng)設(shè)計(jì)作為網(wǎng)關(guān)時(shí)選擇USB供電，當(dāng)作為終端可用干電池供電。

　?。?）通信模塊采用TI公司的支持IEEE802.15.4協(xié)議的CC2420芯片，250 kb／s的數(shù)據(jù)收發(fā)速率可以使節(jié)點(diǎn)更快的完成事件的處理，快速休眠，節(jié)省系統(tǒng)能量。

　　（2）系統(tǒng)的主控采用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430。

　?。?）telos本身就有SHTll溫濕度一體化器件，能夠作為獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)使用。

　　（4）telos只有1個(gè)10腳的接口，可以簡化連接傳感器板。

　?。?）使用USB-COM的橋連接，可以直接通過USB接口供電、編程和控制，進(jìn)一步簡化外部接口。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖如圖2所示，與無傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相比，結(jié)構(gòu)上具有一致性，同樣具有數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理和控制單元、無線通信單元和電源管理單元。
                     

    節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。
     
　　1.4 節(jié)點(diǎn)軟件

　　在此節(jié)點(diǎn)采用目前應(yīng)用廣泛的TinyOs嵌入式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。TinyOS的程序采用模塊化設(shè)計(jì)，程序都很小，一般來說代碼和數(shù)據(jù)在400 B左右。TinyOS的組件有4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分：1組命令處理程序句柄、1組事件處理程序句柄、1個(gè)經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀和一組簡單任務(wù)。任務(wù)、命令和事件處理程序在幀的上下文中執(zhí)行并切換幀的狀態(tài)。為了易于實(shí)現(xiàn)模塊化，每個(gè)組件還聲明了自己使用的接口及其要用信號通知的事件，這些聲明將用于組件的相互連接。如圖4所示為一個(gè)支持多跳無線通信的組件集合與這些組件之間的關(guān)系，上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件對上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生，層的組件直接和硬件打交道。

　　TinyOS是一款自由和開源的基于組件（component-based）的操作系統(tǒng)和平臺(tái)，它主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor network）。TinyOS是用nesC程序編寫的嵌入式操作系統(tǒng)，其作為一系列合作項(xiàng)目的結(jié)果。 它的首先出現(xiàn)是做為UC Berkeley和Intel Research合作實(shí)驗(yàn)室的杰作，用來嵌入智能微塵當(dāng)中，之后慢慢演變成一個(gè)國際合作項(xiàng)目，即TinyOS聯(lián)盟

　　2 系統(tǒng)軟件測試

　　在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS到MSP430微處理器，使用nesC語言編寫應(yīng)用程序。系統(tǒng)以溫度作為采集變量，建立了一個(gè)具有溫度數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、打包無線傳輸功能的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

　　在驗(yàn)證應(yīng)用程序代碼時(shí)，因使用熱敏電阻調(diào)試麻煩，故選用精密可調(diào)電阻代替熱敏電阻，如圖5所示，電阻值容易控制和調(diào)整，使結(jié)果具有更大可觀察性。
                                

    如上圖所示，電阻R110和R109組成分壓電路，采集的模擬信號量是電阻R110兩端的電壓值，為了觀察的方便，在測試程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換等初步處理，使得在PC上顯示的數(shù)據(jù)信息直觀地表示為R110兩端的電壓值。由于精密電阻值為10 kΩ，R110=10 kΩ。Vcc=3.1 V，AD參考電平為2.5 V，使得R110兩端電壓只能在1.5～2.5 V之間測量，選擇的測量范圍為1.6～2.4 V。

　　只要知道當(dāng)前可調(diào)電阻R_adj的電阻值，如下公式所示就可以得到ADC5的電壓值：

　　VADC5=Vccin[10 kΩ／（10 kΩ+R_adj）]          （1）

　　由于終端設(shè)計(jì)是采用無線模塊發(fā)送的，PC必須通過網(wǎng)關(guān)才能得到PC顯示結(jié)果（PC上可以觀察范圍為1.5～2.5 V）。在終端機(jī)上，同樣用3個(gè)LED來表示電壓量的變化，選擇參考電平為1.6 V為參考零點(diǎn)，變化時(shí)LED顯示變化。如表1所示，需要注意的是只有測量值在1.6～2.4V之間LED指示值才正確。                        

    在無線模塊數(shù)據(jù)信息的發(fā)送中，設(shè)定每隔1 000 ms發(fā)送。因此每過  1000ms，串口收發(fā)指示燈將指示，同時(shí)在PC上更新數(shù)據(jù)信息。

　　PC監(jiān)聽的結(jié)果如圖6所示。圖中“7D 04”之后的4個(gè)數(shù)字為電壓值，例如FF FF 04 7D 04 16 47 01 OO中的16 47表示當(dāng)前R110兩端電壓值為1.647 V。                             

    為了對比測量結(jié)果的正確性，可以同時(shí)用萬用表測量R110兩端電壓值。如表2所示，PC監(jiān)聽值與萬用表測量值很接近。
                   
    3 結(jié)語

　　動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想，著重探討數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)，完成了硬件模塊的劃分、芯片的選型、軟件系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有低功耗、擴(kuò)展性好、靈活性強(qiáng)、成本低等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以達(dá)到的特性。