基于ZigBee的无线数据采集系统的设计网络

　　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。

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采集节点                                            主控单元

                                  图1 系统结构框图

　　3.系统硬件设计

　　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