基于ZigBee的无线数据采集系统研究

论文摘要

当今世界正在快速的迈向信息时代，在信息成为人类社会与经济发展不可或缺的“血液”时，一切与信息相关的技术都在迅速的发展。作为信息技术的重要组成部分，数据采集技术几乎已经被应用到了人们生活与生产的所有领域。针对传统的有线数据采集系统布线繁琐、成本太高，而且不便于移动的弊端，本文在研究了数据采集系统发展现状的基础上，设计并实现了基于无线传输方式的数据采集系统。通过对常用的短距离无线通信技术进行比较，本文选用了ZigBee技术方案。将ZigBee技术和数据采集技术相结合集成到设备中，无数个这样的设备可以构成无线传感器网络应用到数据采集领域中，对未来数据采集系统的发展来说具有非常重要的意义。本文设计实现了基于超低功耗微处理器MSP430F5438、射频芯片CC2430与射频前端CC2591的数据采集节点的硬件结构。其中，数据处理控制模块由最新的超低功耗微处理器MSP430F5438为核心，以及多种功能电路构成，能够扩展传感器实现多路数据采集；无线射频模块由CC2430与CC2591加长距离式组合组成，射频前端CC2591用来改善数据采集系统的发射功率和接收灵敏度，延长了采集节点的传输距离，为便于移植和调试，两个模块采用排针连接方式；在电源供电方面，提供了电池供电方式，使之具有便于移动、携带的优点，并设计了可控电源电路，在所有需要供电的模块供电端增加了可控电源电路，利用单片机随时启停该模块，达到最大程度的节省电量，延长电池使用时间。在硬件平台的基础上，设计并实现了数据采集系统的下位机软件和上位机软件。下位机软件包括组网、采集节点之间的软件设计与实现，以及采集节点内部模块间的软件实现，其中包括多路数据采集、存储，以及单片机与无线射频模块、各功能模块之间的通信软件设计与实现，最终组建了树状网络的低成本、低功耗、远传输距离的数据采集系统；上位机软件利用LabVIEW设计了数据采集系统显示界面。本文最后通过对搭建的数据采集系统进行组网、通信质量和性能参数等各方面的测试，结果证明了本文设计的基于无线传输的数据采集系统方案是可行的，能够采集多路数据，并具有易搭建、低功耗、可靠性高、覆盖范围广的优点，克服了传统的有线或无线方式数据采集系统的弊端。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络
• 1.2.1 起源及发展
• 1.2.2 网络结构
• 1.2.3 无线传感器网络国外发展现状及应用
• 1.2.4 无线传感器网络国内发展现状及应用
• 1.3 课题主要研究内容及结构
• 2 ZigBee 技术选择及介绍
• 2.1 短距离无线通信技术简介与比较
• 2.1.1 IrDA
• 2.1.2 Bluetooth
• 2.1.3 Wi-Fi
• 2.1.4 ZigBee
• 2.1.5 几种无线通信技术技术性能比较
• 2.2 ZigBee 技术来源及特点
• 2.3 ZigBee 技术的网络拓扑结构
• 2.3.1 ZigBee 网络的的设备类型
• 2.3.2 星型结构
• 2.3.3 对等结构
• 2.4 ZigBee 技术的协议规范
• 2.4.1 ZigBee 网络体系
• 2.4.2 ZigBee 协议架构
• 2.4.3 ZigBee 服务原语
• 2.4.4 ZigBee 协议分析
• 3 采集系统硬件设计与实现
• 3.1 系统设计原则
• 3.2 系统的总体方案设计
• 3.3 数据处理控制模块
• 3.3.1 微处理器 MSP430F5438
• 3.3.2 数据采集电路
• 3.3.3 数据存储电路
• 3.3.4 供电及电源控制电路
• 3.3.5 液晶显示电路
• 3.3.6 工作指示与控制电路
• 3.3.7 复位和报警电路
• 3.3.8 串行通信接口
• 3.3.9 JTAG 接口电路
• 3.4 无线射频收发模块
• 3.4.1 模块总体设计
• 3.4.2 CC2430 与 CC2591 简介
• 3.4.3 无线射频收发模块原理图
• 3.4.4 射频天线电路
• 3.5 无线射频模块与 MCU 接口方式
• 3.6 PCB 的抗干扰设计
• 4 采集系统软件设计与实现
• 4.1 软件开发环境
• 4.2 Z-Stack 协议栈
• 4.2.1 Z-Stack 协议栈软件
• 4.2.2 Z-Stack 协议栈工作分析
• 4.2.3 Z-Stack 协议栈应用开发
• 4.3 网络通信软件实现
• 4.3.1 网络组建
• 4.3.2 节点入网
• 4.3.3 数据收发
• 4.3.4 路由选择与维护
• 4.3.5 网络通信的实现
• 4.4 数据采集系统各节点软件实现
• 4.4.1 协调器节点软件流程
• 4.4.2 路由节点软件流程
• 4.4.3 终端节点软件流程
• 4.5 采集节点各模块通信软件实现
• 4.5.1 单片机 MSP430F5438 主程序
• 4.5.2 MSP430F5438 与 CC2430 通信实现
• 4.5.3 数据采集软件实现
• 4.5.4 数据存储软件实现
• 4.5.5 液晶显示软件实现
• 4.6 采集系统人机界面软件设计
• 5 系统的测试与性能分析
• 5.1 系统整体构建
• 5.1.1 测试条件
• 5.1.2 网络构建
• 5.2 网络性能测试与分析
• 5.2.1 ZigBee 网络质量的测试
• 5.2.2 ZigBee 模块的参数测量
• 5.3 采集数据的测试
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学位论文
• 致谢