一种基于ZigBee的长距离野外无线数据传输系统*

杨明堃

（空军工程大学 航空机务士官学校 航空电子工程系，河南 信阳 464000）

0 引 言

随着传感器技术的发展，各种数据采集系统的布控范围日益增加。很多野外数据采集点环境恶劣，没有市电，并且节点间距较远，对无线传输网络的可靠性、能耗及传输距离提出了更高要求。如何将采集的数据无线传输到上位机是一项关键技术。目前，很多无线传输系统基于GPRS/CDMA，可以在GPRS/CDMA信号覆盖的任何区域内接收到远距离传输过来的数据，且数据传输稳定。但是，这种传输方式采用的是蜂窝网，信号的传输依赖信号基站，一旦基站出现故障，则整个网络陷于瘫痪，而且使用这种方式传输，用户要承担通信费用[1-3]。对于没有GPRS/CDMA信号覆盖的野外环境，如高山、冰川等环境，这种无线传输系统将束手无策。对比当前发展较好的WiFi、蓝牙、ZigBee等无线通信技术，ZigBee网络系统具有功耗低、可靠性高、成本低廉、保密安全等特点。但是，ZigBee大都应用于近距通信，通信距离在几百米至几千米[4-7]。本文提出了一种基于ZigBee的星型网络结构无线传输系统，通过设计节能型ZigBee节点，合理配置高增益定向天线，降低了ZigBee无线传输网络功耗，大大提高了通信距离。该系统具有可靠性高、能耗低、传输距离远等特点，可以有效完成野外远距无线数据传输。

1 无线数据传输系统设计

考虑到采集点无GPRS/CDMA信号、无市电、节点间距远等特点，降低ZigBee节点的能耗并提高通信距离成为设计的关键。采取ZigBee技术构建无线数据传输网络，设计具有休眠功能的节能型ZigBee网络节点，并合理配置高增益天线，以实现低功耗、远距离无线数据通信。本系统主要由ZigBee网络节点和上位机组成，系统组成结构如图1所示。各节点通过RS232串口与数据采集器通信，将采集到的数据以无线通信的方式直接或通过路由节点发送到协调器，然后通过RS232串口汇集到上位机PC，实现无线数据采集。

图1 系统组成结构

1.1 网络类型

ZigBee网络节点分为协调器、路由器和终端设备3种类型。协调器负责管理整个网络，路由器具有数据存储、转发及路由发现的能力，终端设备只具有收发数据功能。ZigBee的组网通常为网状网、簇状网和星型网3种类型[8-9]。网状网和簇状网中任意两个节点都能够通过选择路由相互通信，路由较为复杂，不利于节能。野外无线数据传输系统只需要将采集数据传输到上位机，不需要各终端节点直接相互通信。因此，星型网络结构更适合于野外无线数据传输系统，结构如图2所示。

1.2 节点硬件设计

本系统无线传输节点设计采用基于ZigBee技术的CC2430芯片。该芯片包括1个高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个工业级小巧高效的8051控制器。只需要简单的外围电路就可以工作，方便节点的微型化。ZigBee节点硬件结构如图3所示。

图2 星型网结构

CC2430芯片为ZigBee节点的核心，通过RS232电平转换电路、数据采集器及计算机进行串口通信，实现信号的收发。同时，利用CC2430芯片的ADC接口及TTL接口，设计了2路开关量和2路模拟量输入，可以连接常用温度、湿度、光照等传感器，使得各节点不仅具有无线传输功能，还兼备数据采集功能。

图3 ZigBee节点硬件结构

CC2430芯片有正常和休眠两种工作模式。休眠模式下，流耗仅为0.9 μA，各节点的工作模式可以借助模式配置键通过上位机软件进行设置，节点类型和工作模式一旦设定，就会进入相应的工作状态。如要改变节点类型和工作模式，则需重新配置。休眠状态下唤醒机制分为两种，分别是定时休眠方式和唤醒休眠方式。终端节点工作在定时休眠方式、中心节点和路由节点工作在唤醒休眠方式，在需要传输数据时自动唤醒上报数据，10 ms内能准备好数据传输。本系统中各节点采用太阳能加蓄电池供电方式，实现免维护设计。

1.3 节点软件设计

ZigBee节点的能耗与其工作状态密切相关，各节点根据实际传输需求进行唤醒，不要传输时处于休眠状态，从而使能耗最小化。ZigBee节点的节点类型、工作状态及休眠方式等，可以通过按压配置键由上位机进行设定。由于终端节点只需要传输本节点采集的数据，因此工作在定时休眠模式以降低能耗。协调器和路由节点则工作在唤醒休眠模式，以载波侦听和串口监测方式进行唤醒，两者为布尔逻辑或的关系，一旦有数据需要传输，立即唤醒节点进行通道数据采集，然后监测信道是否可用。若信道闲，进行数据传输；若信道忙，则等待。ZigBee节点软件工作流程如图4所示。

1.4 天线配置

图4 ZigBee节点软件工作流程

CC2430芯片工作在2.4 GHz ISM波段，为视距传播模式，野外环境下电波传输损耗为[10]：

其中，f为无线系统工作频率，d为传输距离。

本系统要求无线通信距离不低于20 km，可以计算出电波空间传播损耗约为126 dBm。

接收端信号强度由节点发射功率、收发天线增益及电波空间传播损耗共同决定，接收信号强度为：

其中，PT为发射功率，GT为发射天线增益，GR为接收天线增益。

对于ZigBee节点，提高发射功率不利于节能，因此本系统采用提高天线增益的方法。CC2430芯片的发射功率约为0 dBm，灵敏度为-91 dBm。接收信号强度RSS应不低于CC2430芯片的灵敏度。由式（2）计算可知，收发天线的增益之和应不小于35 dB。

终端节点只需要和路由或中心节点通信，因此采用定向天线。实际安装时，使定向天线的波瓣中心指向相应的路由或者中心节点。中心节点和路由节点需要和多个节点进行通信，收发各个方向的信息，通常采用全向天线。考虑到野外环境下风阻大、安装困难等因素，定向天线采用栅网抛物面天线，实物如图5所示，增益为24 dB。全向天线采用杆式高增益全向天线，如图6所示，增益为12 dB。这两部天线增益之和为36 dB，满足系统需求，且风阻较小，便于野外使用。

图5 栅网抛物面天线

图6 杆式高增益全向天线

2 结 语

提出了一种基于ZigBee的野外远距无线传输系统，可以将数据采集器采集的数据通过ZigBee无线传输系统传至上位机进行统一处理，实现了野外数据的无线采集。通过设计节能型ZigBee节点，合理配置高增益天线，实现了ZigBee无线传输系统的低功耗运行和远距离无线数据传输。此设计方案于祁连山黑河流域进行了方案验证和实际应用，经过实际的勘察选取终端节点、路由节点和中心节点，通过合理调整安装天线，取得了良好的传输效果，传输距离可达20 km。本系统的设计思路也可以运用于其他领域，对军事国防、教育、家庭办公以及医疗卫生等领域的智能化无线终端的研制有着很好的借鉴作用。