引言

實測數(shù)據(jù)采集和匯聚是智慧城市建設過程中獲取原始數(shù) 據(jù)信息的關鍵，無線傳感器網(wǎng)絡是實現(xiàn)這一功能的最好選擇, 而Zigbee技術是為低速率傳感網(wǎng)絡設計的標準無線協(xié)議棧, 具有低成本、低功耗、易安裝、自組織網(wǎng)絡等特點。本文 針對不提供充電電池或電源模塊，需要采集眾多節(jié)點數(shù)據(jù)且傳 輸數(shù)據(jù)量不大等需求，設計了基于ZigBee技術的數(shù)據(jù)匯聚系 列智能終端，能夠?qū)崟r完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、匯聚等系列功能, 終端設備具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高等特點, 后續(xù)可針對匯聚得到的數(shù)據(jù)進行分析、管理等相應操作。

基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚智能終端主要由硬件設備和上位 機管理軟件組成。硬件設備主要進行數(shù)據(jù)的采集、透傳和匯聚, 設備類型分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端三種,其中協(xié)調(diào)器負 責組建無線傳感網(wǎng)，匯總路由器和終端設備上傳的信息，進行 統(tǒng)計和分析，發(fā)布信息命令，并實時顯示，動態(tài)管理；路由器 負責統(tǒng)計終端設備信息并進行預處理，然后根據(jù)協(xié)調(diào)器命令 進行上傳和對終端設備操作；終端設備負責對用戶數(shù)據(jù)進行 透傳，發(fā)送本地采集的信息（例如局部范圍內(nèi)的溫濕度和人體 紅外檢測）到路由器，協(xié)調(diào)器將匯聚信息發(fā)送給上位機數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng)，進行綜合處理。

1基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚智能終端設計方法

針對需要多點數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大， 而要求設備成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高，不便放 置較大的充電電池或者電源模塊等情況下，進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析處理和控制，設計了基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集和無線 傳輸模塊,在區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和管理功能, 通過設計的自組傳感網(wǎng)絡實時完成數(shù)據(jù)采集、匯聚、上傳信息 化平臺等系列操作。該智能終端設備根據(jù)采集數(shù)據(jù)覆蓋 范圍不同設計基本型和增強型兩類。

1.1基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚基本型終端設計

覆蓋范圍在100米左右的數(shù)據(jù)采集節(jié)點終端可選擇基本 型，其設計過程如下。

（1）設備選型

CC2530的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點PCB設計是硬件設計的關 鍵，它同時具備數(shù)字電路與高頻電路的特點。CC2530是用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 的片上系統(tǒng)（SoC） 解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點； 選擇數(shù)字型傳感器，并與一個高性能8位單片機相連接，例 如HTZ-001 （品牌名稱）采用AM2302數(shù)字溫濕度傳感器進 行實測數(shù)據(jù)采集，電源IC選擇AMS1117,并選用高效同步降 壓轉(zhuǎn)換器TPS62125,可針對低或超低功耗提供300 mA輸出 電流的應用進行優(yōu)化；或選擇用高效率、超低功耗降壓轉(zhuǎn)換 器TPS62120,可在較高電流條件下保持平穩(wěn)高效的工作狀態(tài), 可自動從省電模式轉(zhuǎn)為固定頻率脈寬調(diào)變（PWM）模式。

（2）核心板電路設計

核心板電路主要包括射頻電路設計和晶振電路設計。其 中，射頻電路設計采用50 Q單極子天線，由于CC2530的差 分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫 電路（平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路）完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。 巴倫電路由電感（L1、L2，，3）和電容（C?、C9、C10、C11、C12）構成。

CC2530有4個晶振，2個內(nèi)部（16 MHz RC晶振和32 kHz RC晶振），2個外部（32.768 kHz的石英晶振和32 MHz的石英晶振），石英晶振的精度高，耗電大，啟動慢。RC晶振精度低一點, 耗電小，啟動快。在上電時，默認是使用內(nèi)部的兩個晶振，因為 內(nèi)部這兩個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電流消耗和精確喚 醒時間的應用，兩個低頻晶振不能同時上電，即不能同時起振。

（3）底板電路設計

底板電路主要包括電源部分設計、外圍接口電路設計、 指示部分設計和傳感器電路設計。其中，電源部分有三種輸 入方式，可根據(jù)不同種類電源接入，選擇不同電源接口方案。 第一種是通過USB接口提供5 V電源，第二種是通過電源適 配器提供5 V電源，第三種是通過9 V電池供電。

接著，根據(jù)不同節(jié)點的負載情況，選擇不同的電源解決 方案。第一種電源IC為AMS1117-3.3V，作用是將輸入的5 V 電源轉(zhuǎn)為3.3 V電源，給各個模塊及核心板供電，最大能提供 800 mA的電流；第二種電源IC為TPS62125,它是一款高效 同步降壓轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器針對低和超低功耗提供300 mA 輸出電流的應用進行了優(yōu)化，3 V至17 V的寬輸入電壓范圍支 持4節(jié)干電池和1至4節(jié)鋰離子電池串聯(lián)配置及9 V至15 V供 電類應用，靜態(tài)電流典型值13峪,停機電流典型值350 nA。 小型2 mmX2 mm小外形尺寸無引線（SON） 8引腳封裝；第 三種電源IC為TPS62120,是一款高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，支 持最高75 mA輸出電流，2 V至15 V的寬輸入電壓范圍，支 持能量收集、電池供電和9 V或12 V的線性供電應用，小型 SOT8PIN封裝或2 mmX2 mm小外形尺寸無引線（SON） 6引 腳封裝。

（4）協(xié)議棧軟件總體設計

系統(tǒng)軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，良好的軟 件設計是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提高系統(tǒng)性能的關 鍵所在。節(jié)點設計基于通用性及便于開發(fā)的考慮，移植了 TI 公司的ZStack協(xié)議棧，其主要特點就是其兼容性，完全支持 IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系統(tǒng)解決方案。

TI的ZStack裝載在一個基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程里, IAR Embedded Workbench除了提供編譯下載功能外，還可 以結合編程器進行單步跟蹤調(diào)試和監(jiān)測片上寄存器、Flash數(shù) 據(jù)等。ZStack根據(jù)IEEE 802.15.4和ZigBee標準分為應用層、 網(wǎng)絡層和應用支持層、數(shù)據(jù)鏈路層、介質(zhì)訪問層和物理層。用 戶可以使用IAR打開工程文件SampleApp.eww后，即可查看 到整個協(xié)議棧從HAL層到APP層的文件夾分布并加以修改。 1.2基于ZigBee的數(shù)據(jù)匯聚增強型終端設計方法

增強型終端設備是針對數(shù)據(jù)采集覆蓋范圍超過200米以 上需求而設計的，關鍵是在基本型終端基礎上，增加CC2591 射頻前端，使之有更遠的傳輸距離和良好的信號質(zhì)量。

ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點Layout設計是硬件設計的關鍵，它同時 具備數(shù)字電路與高頻電路的特點，元件布局應盡量緊湊、美觀; 在數(shù)字信號線走線上做到自然、平滑;高頻部分包括匹配電感、 電容布局盡量獨立、避免干擾，并符合天線特性；PCB板的 尺寸為長寬高35 mmX30 mmX1.6 mm,接口為6X2雙排插 針和7X2雙排插針，間距2.54 mm。接口管腳定義為TI的標 準接口。

2實驗結果與性能分析

為了測試基于ZigBee數(shù)據(jù)匯聚智能終端性能，設計如下 試驗策略。首先通過實測樣本驗證普通終端數(shù)據(jù)采集匯聚上 傳整個過程；接著采用增強型智能終端來測試實測數(shù)據(jù)匯聚 上傳和數(shù)據(jù)覆蓋范圍性能；然后利用放置在移動冷鏈物流車 上用于溫控監(jiān)測的終端設備，結合使用GPS模塊，測試遠距 離數(shù)據(jù)采集匯聚終端性能。

2.1普通終端設備數(shù)據(jù)采集匯聚，性能測試

利用兩個基本型溫濕度數(shù)據(jù)采集匯聚模塊，將其中一塊 作為協(xié)調(diào)器，另一塊作為終端，終端發(fā)送“LED”字符，協(xié)調(diào) 器接收，判斷是不是“LED”，如果是，則LED燈閃爍。該設 備采用8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路 數(shù)字量輸出接口和1個RS 232接口。

測試環(huán)境包括：①空曠視距；②天氣晴朗；③電源充足 （DC-5 V,供電電流100 mA以上）；④離地高度1.2 m ；⑤測 試天線2.4 GHz Antenna-10 cm,增益3 dBi ；⑥天線水平垂 直放置。

（1）通信距離及功耗測試

經(jīng)實地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離 120 m,測試結果見表1 ；最大輸出功率10 dBm ；接收靈敏度

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

影響傳輸距離的情況包括：①電源不穩(wěn)，供電電壓不夠, 或者輸出電流不足（本模塊供電電壓要求3?17 V,輸出電流 在60 mA以上）；②中間有障礙物，非視距由于2.4 GHz頻 段，波長較短，基本上是直線傳輸，且穿透力較差，所以中

間有路面坡度、障礙物對傳輸距離影響較大（人，樹木也會遮 擋）；③模塊放置未達到要求。一般情況下，若離地間隙少于

50 cm,微波是很容易被地面吸收的，所以離地高度測試是在 1 m以上；兩模塊須在同一水平面上，高度有落差也會影響測試距離。④其他因素影響，如一般晴天會比陰雨天好。

(2)通信數(shù)據(jù)測試

在開始測試之前，需在PC上自行安裝好以下軟件:IAR Embedded Workbench, SmartRF Packet Sniffer、SmartRF Studio7、ZTOOL、串口調(diào)試工具等，仿真器通過USB接口直 接連接到電腦端,再連到HTZ系列終端設備，可實時在線仿真、 調(diào)試。CC Debugger配置紅/綠雙色指示燈1顆，其指示狀態(tài) 如表2所示。

CC Debugger與終端模塊(下文簡稱為一個“節(jié)點”)配 合使用，即可實現(xiàn)Packet Sniffer (協(xié)議分析儀)的功能，測試 環(huán)境如圖2(a)所示。

為方便功能測試，首先，將節(jié)點1配置為數(shù)據(jù)發(fā)送端, 節(jié)點2配置為數(shù)據(jù)接收端，連接CC Debugger與節(jié)點2,保 持CC Debugger和節(jié)點2連接，見圖2(b),啟動SmartRF Packet Sniffer，在下拉菜單中選擇 “IEEE 802.15.4/ZigBee” ； 接著，點擊“Start”按紐，進入Packet Sniffer界面，工具欄 下拉菜單中可選擇不同ZigBee協(xié)議版本，按發(fā)送端數(shù)據(jù)格式 進行選擇;然后，將最下面的“Select channel”選項中設置“監(jiān) 聽”的頻率值，默認為2.405 GHz,可用鍵盤上下鍵進行修改, 注意請將此值與發(fā)送端匹配；最后，點擊“play”即可開始進 行“抓包”實驗，按下節(jié)點1的S1鍵開始發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點2 的LED燈閃爍表示接收到數(shù)據(jù)，同時Packet Sniffer得到內(nèi) 容如圖2(c)所示，測試結果顯示，可完整接收數(shù)據(jù)，未出現(xiàn) 丟包現(xiàn)象。

(a)測試環(huán)境示意圖

(b) CC Debugger 連接圖

(c) Packet Sniffer 顯示內(nèi)容

圖2數(shù)據(jù)采集匯聚測試過程

2.2增強型終端設備數(shù)據(jù)采集和匯聚性能測試

利用兩個HTZI系列增強型終端，將其中一塊作為協(xié)調(diào)器, 另一塊作為終端，終端發(fā)送“LED”字符，協(xié)調(diào)器接收，判斷 是不是“LED”，如果是，則LED燈閃爍。設備采用8路模擬 量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口， 1 個RS 232 和 1 個RS 485 接口。

(1)節(jié)點通信距離測試

增強型終端設備經(jīng)實地測量，在加功率增益的情況下有 效傳輸距離500 m,測試環(huán)境如普通型相同，其測試結果見表3。 經(jīng)測試，影響傳輸距離的情況與基本型一致。

表3性能測試結果

( 2)節(jié)點通信質(zhì)量測試

同基本型測試通信質(zhì)量過程相同，Packet Sniffer顯示測 試結果：可完整接收數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；在本過程中增 加了網(wǎng)絡容量和可靠性測試，利用一個協(xié)調(diào)器和100個終端節(jié) 點進行組網(wǎng)通信測試，測試結果顯示：網(wǎng)絡內(nèi)200個節(jié)點通 信時穩(wěn)定可靠，無丟包現(xiàn)象。

2.3放置在運動的冷鏈物流車上數(shù)據(jù)匯聚終端，性能測試

冷鏈管理是高端產(chǎn)品在加工、貯藏、運輸、銷售等環(huán)節(jié) 保證產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵，溫控技術是冷鏈管理的核心。將基于 ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)匯聚智能終端放置在運動的冷鏈物流車 上用于溫控以測試遠距離數(shù)據(jù)采集匯聚終端性能，其測試性 能可視化界面如圖3所示。利用基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)匯 聚智能終端，結合運用ZigBee、RFID、GPRS、GIS、GPS 等技術，設計完成智慧冷鏈管理平臺，實時監(jiān)控冷鏈物流運 輸和配送環(huán)節(jié)中物品狀態(tài)，有效解決了目前冷鏈物流企業(yè)貨 況運輸管理問題，收到了良好的社會和經(jīng)濟效益。

(a)實測溫濕度數(shù)據(jù)顯示

(b)溫濕度變化曲線

(c)實測數(shù)據(jù)上傳信息化平臺顯示

圖3數(shù)據(jù)匯聚終端設備在冷鏈運輸過程中完成溫濕度監(jiān)測

3結語

針對智慧城市建設中涉及的實測數(shù)據(jù)采集困難和匯聚復 雜等問題，設計了基于ZigBee技術的數(shù)據(jù)匯聚系列智能終端 設備，利用ZigBee的低功耗特點，提供了基本型和增強型兩 種選擇模式，規(guī)劃了 800 mA、300 mA和75 mA的3種電 源處理方案，實現(xiàn)了實測數(shù)據(jù)無線采集匯聚上傳平臺等功能。 將大量數(shù)據(jù)匯聚終端設備應用于智慧冷鏈物流運輸進行溫控 實時測試，驗證了該設備實時數(shù)據(jù)采集和匯聚的穩(wěn)定性和有 效性，后續(xù)將加大該終端的工程應用范圍。

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