CN102055611B - 一种低功耗无线数据采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗无线数据采集系统，包括数据处理服务器、数据采集节点以及ZigBee无线个域网。数据采集节点包括至少一传感器模块、无线收发模块；传感器模块负责采集数据，无线收发模块负责发送采集的数据；ZigBee无线个域网还包括至少一带ZigBee终端的数据汇聚节点，负责接收来自数据采集节点的采集数据，并打包为ZigBee网络数据，然后转发到ZigBee路由器节点或ZigBee协调器节点；本发明将点对点无线收发器与ZigBee无线个域网相结合，使得整个系统在最简易的情况下就达到了理想的簇树型拓扑，相对现有应用簇树型拓扑的无线网络有更低的功耗，并且省去了ZigBee协议网络层的二次开发，大大的缩短了开发的周期。

Description

一种低功耗无线数据采集系统
技术领域
本发明属于数据采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种低功耗无线数据采集系统。
背景技术
目前在数据采集和无线传感器网络(WSN)的领域中，ZigBee技术的运用越来越多。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低速率的双向无线通讯技术，主要用于距离短且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
ZigBee无线网络主要由ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端组成。现有技术中，ZigBee无线网络应用在数据采集领域中主要是将数据采集装置嵌入在ZigBee终端作为采集节点中，但是在某些特定的场合下，尤其是对于数据采集装置的大小和电池寿命长短有苛刻要求的情况下，采用ZigBee终端而设计出的数据采集模块仍然难以达到要求，因为数据采集装置并不是非常需要ZigBee在无线网络路由功能上的支持，而如果需要大规模布置数据采集节点，采用ZigBee终端的方式在成本上会产生较大的浪费。所以无线数据采集系统如何能利用ZigBee无线网络在数据传输中的各种便利，同时进一步降低数据采集节点成本和提高能耗表现仍然是一个没有得到很好解决的问题。
点对点无线收发器是一种点对点近距离无线通信设备，其有别于传统的RFID射频识别系统。传统的RFID射频识别系统中标签没有主动工作的能力，完全依靠阅读器的读写来被动的工作，而且因为自身没有供电模块使得其功能很难扩展。点对点无线收发器中通信的双方因为都具有微控制器，所以他们不但可以主动地完成发送和接收数据的工作，还可以进一步设计为带传感器的数据采集标签。这种无线收发器的网络拓扑非常简单，只有点对点或者星型拓扑，所以无需为了维护网络而产生额外的开销，在不工作时采用休眠模式可以进一步降低能耗。同时，点对点无线收发器是各种无线传输方式中成本最低的一种，这些优势使得其非常适合应用在数据采集系统中。但是因为无线收发系统的网络拓扑单一，所以在数据传输上鲁棒性很低，在收集到数据后需要连接到其他的通信机制以完成数据的传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种进一步降低数据采集节点成本和提高能耗表现的低功耗无线数据采集系统。
为实现上述目的，本发明低功耗无线数据采集系统，包括：
一数据处理服务器，用于处理并存储采集数据；
至少一数据采集节点，用于采集数据；
一ZigBee无线个域网，用于接收来自数据采集节点的采集数据，并转发给数据处理服务器；ZigBee无线个域网又包括至少一ZigBee路由器节点、一ZigBee协调器节点；ZigBee路由器节点维护路由表，并负责将接收到的采集数据转发到ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点负责建立一个ZigBee网络并维护此网络，同时和数据处理服务器相连，将接收到的采集数据上传给数据处理服务器；
其特征在于：
所述的数据采集节点包括至少一传感器模块、无线收发模块；传感器模块负责采集数据，无线收发模块负责发送采集的数据，无线收发模块中集成有一微控制器，负责处理采集到的数据以及控制各个模块的工作；
所述的ZigBee无线个域网还包括至少一带ZigBee终端的数据汇聚节点，负责接收来自数据采集节点的采集数据，并打包为ZigBee网络数据，然后转发到ZigBee路由器节点或ZigBee协调器节点；
所述的数据汇聚节点包括一无线收发模块，一ZigBee终端模块；无线收发模块中集成有一微控制器，微控制器负责控制无线收发模块接收采集数据、并打包；ZigBee终端模块中包括一符合ZigBee标准的微处理器，微处理器中集成了2.4GHz的无线通信模块，微处理器负责整个数据汇聚节点的工作状态控制、采集数据处理打包，并通过ZigBee终端模块经转发到ZigBee路由器节点或ZigBee协调器节点。
本发明的发明目的是这样实现的：
相对现有的技术，本发明采用ZigBee无线网络来进行数据传输，使得整个数据采集系统的布置更为灵活多变，能适应绝大多数场合，并且ZigBee节点的成本相对于WIFI和蓝牙这类无线网络设备要低廉很多；将点对点无线收发器与ZigBee无线个域网相结合，使得整个系统在最简易的情况下就达到了理想的簇树型拓扑，相对现有应用簇树型拓扑的无线网络有更低的功耗，并且省去了ZigBee协议网络层的二次开发，大大的缩短了开发的周期。
附图说明
图1是本发明低功耗无线数据采集系统一具体实施方式原理示意图；
图2是图1所示数据采集节点的工作流程图；
图3是图1所示数据汇聚节点的结构框图；
图4是图1数据汇聚节点的状态转移图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明低功耗无线数据采集系统一具体实施方式原理示意图。
在本实施例中，如图1所示，低功耗无线数据采集系统包括数据处理服务器S，ZigBee无线个域网Z以及多个数据采集节点T。
在本实施例中，在ZigBee无线个域网Z包括三个ZigBee路由器节点、一个ZigBee协调器节点和三个数据汇聚节点。
数据采集节点分为三组：第一组有I个11～1I、第二组有J个2I～2J、第三组有K个31～3K分别对应数据汇聚节点1～3。低功耗无线数据采集系统包括两个过程：
1、数据采集过程
数据采集节点11～1I通过其传感器模块采集数据，然后由其无线收发模块发送采集的数据、数据采集节点号到数据汇聚节点1中。
在本实施例中，采集的数据和数据采集节点号按照采用的无线收发模块规定的网络数据格式打包，然后发送给数据汇聚节点1中的无线收发模块。
在本实施例中，数据汇聚节点还包括有LCD显示模块。
数据汇聚节点1接收来自第一组数据采集节点的包含采集数据和数据采集节点号的数据包后，数据汇聚节点1中的无线收发模块通过SPI高速串行口将数据包发送给ZigBee终端模块，ZigBee终端模块先将数据包拆包，并将数据包中的采集数据和数据采集节点号发送到LCD显示模块，然后将拆包数据重新打包为ZigBee网络数据格式，根据ZigBee终端在ZigBee网络拓扑中的位置，将数据包直接发送给ZigBee协调器节点。
同样，数据采集节点21～2J通过其传感器模块采集数据，然后由其无线收发模块发送采集的数据、数据采集节点号到数据汇聚节点2中。采集数据、数据采集节点号在数据汇聚节点2中进行前述数据汇聚节点1节点中相同的处理后，得到的数据包发给ZigBee路由器节点1，然后，ZigBee路由器节点1再转发到ZigBee协调器节点。
同样，数据采集节点31～3K通过其传感器模块采集数据，然后由其无线收发模块发送采集的数据、数据采集节点号到数据汇聚节点3中。采集数据、数据采集节点号在数据汇聚节点3中进行前述数据汇聚节点1节点中相同的处理后，得到的数据包发给ZigBee路由器节点2，然后，ZigBee路由器节点2转发到ZigBee路由器节点3，最后，通过ZigBee路由器节点3转发到ZigBee协调器节点。
当ZigBee协调器节点收到数据包后，将数据拆包，提出数据包中采集数据、数据采集节点号，通过USB接口传送回数据处理服务器S。
数据处理服务器S接收到来自ZigBee协调器节点的采集数据、数据采集节点号后，进行处理和存储，以供设备诊断及故障预测系统D调用。
2、服务器命令过程
a1、数据处理服务器可以控制某个数据采集节点在非计划采集时间段进行数据采集或者是控制采集比较频繁的节点立即休眠。服务器将控制命令、目的数据采集节点号打包，通过USB接口发送给ZigBee协调器节点；
a2、当ZigBee协调器节点接收到控制命令数据包后拆包，确定目的数据采集节点在网络拓扑中的位置后，按照ZigBee网络数据传输格式打包发送给目的数据采集节点所属于的数据汇聚节点；
a3、当数据汇聚节点中ZigBee终端模块接收到数据包后，将数据包拆包并把控制命令、目的数据采集节点号提出以无线收发模块规定的网络数据格式打包，通过SPI高速串行口发送给无线收发模块。无线收发模块提出目的数据采集节点号后，对该目的数据采集节点号发送控制命令。
a4、数据采集节点接收到数据包后，将其拆包，根据控制命令执行数据采集或是休眠任务。
在本实施例中，数据采集节点中的无线收发模块采用Nordic公司的nRF9E5无线收发SOC芯片，该芯片集成了一个无线收发器，以SPI接口与内部8051微控制器通信，有4个输入10位A/D转换器。nRF9E5不仅外围电路简单，而且专业的硬件设计将数字电路间的干扰降至最低，内置电压调整模块最大限度地抑制噪音，为系统提供1.9～3.6V的工作电压，若单独使用两节5号电池或3V纽扣电池就可工作1～2年，因此很适用于低功耗要求的短距离无线通信。
在本实施例中，数据采集系统为温度采集系统。数据采集节点中的传感器模块为温度传感器模块，采用Dallas公司推出的DS18B20低功耗数字温度传感器。该传感器的DQ脚与nRF9E5的P0.0脚连接，用于传输采集的数据。DS18B20低功耗数字温度传感器总线上所有的操作之前要初始化，复位时，DQ线被拉低，经过一段时间接着再被拉高，最后DS18B20低功耗数字温度传感器发出低电平作为应答信号，这时8051微控制器才能对它进行读/写等操作。
在本实施例中，数据采集节点还包括电池供电模块，采用3.7V方形锂电池以保证电量和体积的要求。
无线收发SOC芯片nRF9E5在初始化以后，读取温度传感器模块采集的温度数据，内部8051微控制器负责处理采集到的温度数据以及控制各个模块的工作。无线收发SOC芯片nRF9E5负责将采集的温度数据发送，并接收来自数据汇聚节点的命令。数据采集节点在不执行采集工作时进入休眠状态，直到再次工作或者被数据汇聚节点唤醒。
图2是图1所示数据采集节点的工作流程图。
在本实施例中，数据采集节点的工作流程为：
b1、数字采样节点初始化后，进入休眠模式；
b2、判断是否为预定采集时间，如果是则直接进行步骤b3；不是则进行载波监听，如果无接收命令，则进入步骤b1的休眠模式，如果有接收命令，则接收命令，进行步骤b3；
b3、向温度传感器模块发送初始化脉冲，并判断初始化是否成功，如果没有，则重新向温度传感器模块发送初始化脉冲；如果成功，则启动温度传感器模块进行温度转换，微控制器读取温度传感器模块采集的温度数据，然后打包，通过无线收发器发送数据汇聚节点。
在本实施例中，负责数据传输的就是ZigBee无线个域网。ZigBee无线个域网是一种符合IEEE802.15.4/ZigBee标准的无线网络，工作在2.4GHz，传输数率最高250kbit/s，点对点传输距离10～100米，并可通过RF前端放大器继续增加传输距离。ZigBee无线个域网包括一ZigBee协调器节点，至少一ZigBee路由器节点，至少一带ZigBee终端的数据汇聚节点，这三种ZigBee节点均采用德州仪器的CC2430芯片作为模块的主控芯片，该芯片是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)无线收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，使得开发更为容易。ZigBee协调器节点包括一符合ZigBee标准的微处理器CC2430，一串口调试模块，一串口转USB模块，一电源模块，此节点主要负责建立一个ZigBee网络并维护此网络，同时和数据处理服务器相连，上传或者向下转发数据和命令；ZigBee路由器节点的结构基本与ZigBee协调器相同，只是去掉了串口转USB模块，此节点主要负责转发数据并维护路由表。
图3是图1所示数据汇聚节点的结构框图。
如图3所示，数据汇聚节点包括一无线收发模块，一ZigBee终端模块，一LCD显示模块，一按键模块，一串口调试模块，一电源模块。其中，无线收发模块中使用了与数据采集节点相同的nRF9E5无线收发SOC芯片，该芯片负责数据的收发、处理和控制无线收发模块的工作，具体的实施是：当监测到与接收频率相同的载波时载波监听(CD)拉高，地址匹配后AM拉高，然后接收数据，将接收的数据处理好后将数据发送ZigBee模块，因为nRF9E5的SPI口被外接存储器占据了，所以采用P0.4～P0.7四个I/O口来模拟SPI串行接口通信，其中P0.4为DIN数据接收口，P0.5为DOUT数据发送口，P0.6为CLK时钟口，P0.7为SS使能口，分别接在CC2430的P02～P05四个I/O上，使得ZigBee终端模块可以从无线收发模块接收数据，也可以向无线收发模块发送命令；ZigBee终端模块中包含一个CC2430微处理器，负责整个数据汇聚节点的工作状态控制、数据处理、数据经ZigBee网络的收发以及与无线收发模块的通信；LCD显示模块会显示ZigBee终端模块从无线收发模块收到的采集信息和节点状态信息，该模块采用一块128X64点阵的LCD显示模组，CC2430微处理器通过P10、P11、P12、P13和P15五个I/O口对模组进行控制以及数据传输。按键模块负责控制ZigBee终端模块的一些工作状态，同时也可以控制LCD显示模块所显示的内容。电源模块包括电池供电和外接电源供电两种工作模式，其中外接电源使用5V的输入，通过AMS1117转换为3.3V。在数据汇聚节点中，有多个应用需要执行，这些应用之间的状态转换就需要一套运行机制来维护，CC2430作为主控芯片需要执行这样一套机制。
图4是图1数据汇聚节点的状态转移图。
在本实施例中采用有限状态机来解决状态转换的问题，如图4所示。数据汇聚节点的状态开始于ZigBee终端模块等待接收SPI串行接口数据和ZigBee终端模块等待接收ZigBee无线网络数据两个状态的循环中，两个状态相互执行，超时后转换，当某一个状态接收到数据后，则开始执行该状态的下一个状态，每个应用状态执行完以后转移到下一个状态，直到回到循环等待的状态。
数据处理服务器，数据处理服务器主要是处理并存储采集的数据，同时也可以发送指定采集的命令。服务器端管理程序采用Visual C++6.0开发，数据库采用Access2003。服务器通过USB接口与ZigBee协调器相连，数据接收后先对数据进行解包并处理，然后将数据采集节点号、数据采集节点状态信息和采集的数据分类存入数据库。同时，服务器可以对数据采集节点发送控制命令，以搜集临时需要的即时数据或者控制节点是否休眠。
在本系统中有两种数据传输格式，一种是在除ZigBee无线网络以外的所有有线无线通信采用的数据包格式，非ZigBee网络传输的数据格式如表1所示。
  包头   命令类型   节点号   数据负载   数据效验
  HEADER   CMID   ADDRESS   PAYLOAD   CRC
表1
表1中，包头为两个字节，分别用0X01和0X10来区分数据包的输出是二进制数据还是ASCII码。之后两位为数据包的命令类型，具体命令和命令值的对应关系如表2所示。
  命令值   命令类型   命令描述
  0X00   CMD_STATUS_CHECK   命令节点检查状态
  0X01   CMD_STATUS_REPORT   返回节点状态
  0X02   CMD_NODE_GATHER   命令节点采集数据
  0X03   CMD_NODE_SLEEP   命令节点休眠
  0X04   CMD_ALL_GATHER   命令全部节点采集数据
  0X05   CMD_ALL_SLEEP   命令全部节点休眠
  0X06   CMD_DATA_TRANSPORT   返回数据
表2
节点号表示命令需要发送到的目的节点或者是数据传输时数据来自哪个节点，数据负载在上行数据包中装载需要传输的数据，而在下行命令中为部分命令的一些参数。
第二种数据格式是ZigBee无线网络中传输的数据包格式，此格式由所采用的ZigBee协议栈规定，如表3所示。
 dstMode   指定目的地址寻址模式   无目的地址；短地址；长地址
 dstADDR   指向目的地址的指针   可包含一个短地址或长地址
 dstEP   目的地终点   间接信息不可用
 cluster   串状态标识符   只用于直接信息
 srcEP   来源终点
 pload   数据负载   指向数据的指针
 plen   数据负载的长度
 tsn   该包的传输序列号   可以调用协议栈函数生成一个
 repack   APS的ACK响应
表3
当以第一种格式存在的数据包需要在ZigBee无线网络中传输时就需要拆包后按照第二种数据格式重新打包。这里给出的是协议栈应用层数据包格式，打包完毕后协议栈会自动将数据包处理成ZigBee网络通信的格式。第一种数据包格式中的命令类型、节点号和数据负载将打包为第二种数据包格式中的数据负载，第二种数据包格式中的pload指向第一种数据包格式中CMD的首地址，而第二种数据包格式中的plen则为第一种数据包格式中CMD、ADDRESS和PAYLOAD三种数据的长度总合。如果是节点向服务器传输的上行数据，则dstADDR为ZigBee协调器的长地址，若是来自服务器的下行命令，则拆包后先读取目的数据采集节点地址，并查询出该节点地址所属的数据汇聚节点，然后将dstADDR设为该节点的ZigBee终端模块的长地址，然后将第一种数据包格式的命令类型、地址和数据负载转为第二种数据包格式的pload，然后其他参数设置好后即可发送；而接收数据包后则可以通过协议栈提供的存取函数来获得数据包中的各种参数和数据负载。
本发明实施例实现了整套低功耗无线数据采集系统，其中，数据聚和节点与数据采集节点的有效工作距离为50米，而ZigBee设备之间的有效通信距离达到了120米。数据采集节点采用了低功耗设计，并且可以通过服务器端控制每个节点的工作情况，发现电量不足的节点可以延长其休眠的时间，进而延长了整个系统的工作时间，同时其小型化的设计也能适应更多的应用。通过规定了各种通信数据的格式规范，使得整个系统能顺利的完成数据传输。数据处理服务器则对采集的数据进行处理和存储，还提供数据接口，与设备诊断及故障预测系统连接，使得数据得到进一步的运用。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种低功耗无线数据采集系统，包括：
一数据处理服务器，用于处理并存储采集数据；
至少一数据采集节点，用于采集数据；
一ZigBee无线个域网，用于接收来自数据采集节点的采集数据，并转发给数据处理服务器；ZigBee无线个域网又包括至少一ZigBee路由器节点、一ZigBee协调器节点；ZigBee路由器节点维护路由表，并负责将接收到的采集数据转发到ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点负责建立一个ZigBee网络并维护此网络，同时和数据处理服务器相连，将接收到的采集数据上传给数据处理服务器；
其特征在于：
所述的数据采集节点包括至少一传感器模块、无线收发模块；传感器模块负责采集数据，无线收发模块负责发送采集的数据，无线收发模块中集成有一微控制器，负责处理采集到的数据以及控制各个模块的工作；
所述的ZigBee无线个域网还包括至少一带ZigBee终端的数据汇聚节点，负责接收来自数据采集节点的采集数据，并打包为ZigBee网络数据，然后转发到ZigBee路由器节点，由ZigBee路由器节点转发到ZigBee协调器节点或ZigBee协调器节点，由ZigBee协调器节点直接接收；
所述的数据汇聚节点包括一无线收发模块，一ZigBee终端模块；无线收发模块中集成有一微控制器，微控制器负责控制无线收发模块接收采集数据、并打包；ZigBee终端模块中包括一符合ZigBee标准的微处理器，微处理器中集成了2.4GHz的无线通信模块，微处理器负责整个数据汇聚节点的工作状态控制、采集数据处理打包，并通过ZigBee终端模块经转发到ZigBee路由器节点或ZigBee协调器节点。
2.根据权利要求1所述的低功耗无线数据采集系统，其特征在于，具有服务器命令模式：
a1、数据处理服务器控制某个数据采集节点在非计划采集时间段进行数据采集或者是控制采集比较频繁的节点立即休眠；服务器将控制命令、目的数据采集节点号打包，通过USB接口发送给ZigBee协调器节点；
a2、当ZigBee协调器节点接收到控制命令数据包后拆包，确定目的数据采集节点在网络拓扑中的位置后，按照ZigBee网络数据传输格式打包发送给目的数据采集节点所属于的数据汇聚节点；
a3、当数据汇聚节点中ZigBee终端模块接收到数据包后，将数据包拆包并把控制命令、目的数据采集节点号提出以无线收发模块规定的网络数据格式打包，通过SPI高速串行口发送给无线收发模块；无线收发模块提出目的数据采集节点号后，对该目的数据采集节点号发送接收到的包括控制命令的数据包；
a4、数据采集节点接收到数据包后，将其拆包，根据控制命令执行数据采集或是休眠任务。
3.根据权利要求1所述的低功耗无线数据采集系统，其特征在于，所述的数据采集节点的工作流程为：
b1、数字采样节点初始化后，进入休眠模式；
b2、判断是否为预定采集时间，如果是则直接进行步骤b3；不是则进行载波监听，如果无接收命令，则进入步骤b1的休眠模式，如果有接收命令，则接收命令，进行步骤b3；
b3、向温度传感器模块发送初始化脉冲，并判断初始化是否成功，如果没有，则重新向温度传感器模块发送初始化脉冲；如果成功，则启动温度传感器模块进行温度转换，微控制器读取温度传感器模块采集的温度数据，然后打包，通过无线收发器发送至数据汇聚节点。
4.根据权利要求1所述的低功耗无线数据采集系统，其特征在于，所述的数据汇聚节点的无线收发模块和ZigBee终端模块通过SPI串行接口进行通信，数据汇聚节点的状态开始于ZigBee终端模块等待接收SPI串行接口数据和ZigBee终端模块等待接收ZigBee无线网络数据两个状态的循环中，两个状态相互执行，超时后转换，当某一个状态接收到数据后，则开始执行该状态的下一个状态，每个应用状态执行完以后转移到下一个状态，直到回到循环等待的状态。
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