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[资料] 基于ZigBee协议的矿用传感器设计

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发表于 2021-7-23 09:36:50 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
1、ZigBee协议简介
1.1 ZigBee协议栈
ZigBee是基于IEEE.802.15.4基础之上的短距离、低功耗的无线网络技术。完整的ZigBee协议栈由应用层(APL)、网络层(NWK)、中间访问控制层(MAC)和物理层(PHY)组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定,IEEE802.15.4负责物理层和中间访问控制层。
(1)物理层。物理层负责完成以下任务:激活和停止无线传输;当前信道的能量探测;接收数据包的连接质量指示;CSMA.CA空闲信道评估;信道频率选择;数据的传输和发送。
(2)中间访问控制层。IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准,通过SSCS(业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型的LLC标准,同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层服务。MAC沿用了WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式,以提高系统的相容性。所谓的CSMA/CA是在传输之前,先检查通道是否有资料传输,若无资料传输,则开始进行资料传输动作,若产生碰撞,则稍后重新再传。
(3)网络层。ZigBee联盟制订ZigBee可支援Star、Cluster Tree与Mesh三种网路架构,在各个节点之角色方面,可分为全功能设备(FFD)与精简功能设备(RFD)。与FFD相比,RFD的电路较为简单且记忆体较小。FFD的节点具备控制器之功能提供资料交换,而RFD则是只能传送资料给FFD或是从FFD接收资料。
(4)应用层。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上,具体而言包括:安全与鉴权;多个业务数据流的汇聚;设备发现;业务发现。

1.2 ZigBee协议的优势
(1)功耗低。由于工作周期较短,且采用了休眠模式,故收发信息功耗较低。
(2)数据传输可靠性高。采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。中间访问控制层采用了完全确认的数据传输机制,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。
(3)网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多65 536个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。
(4)时延小。针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值为15ms,活动设备信道接人时延为15ms。
(5)兼容性。与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用CSMA—CA方式进行信道存取。为了可靠传递,提供全握手协议。
(6)安全性。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES一128,同时各个应用层可以灵活确定其安全属性。
(7)实现成本低。模块的初始成本估计在6美元左右,很快就能降价,且ZigBee协议是免专利费的。
(8)协议套件紧凑而简单。ZigBee协议套件的需求估计:8位微处理器,如80C51;全协议套件软件需要32 KB的ROM;最小协议套件软件大约4 KB的ROM。

2、基于ZigBee协议的矿用无线传感器设计矿用监控系统所适用的传感器虽种类繁多,但结构组成基本一致,主要有检测与变换电路、MCU、通讯接口以及电源电路组成,不同传感器的区别在于检测与变换电路的不同。这里以温度传感器为例,说明无线传感器的设计方法(图1)。图l中的温度检测元件采用Dalls/Maxim公司的一线制集成温度检测模块DS18B20,其外部电路简单,功耗低,特别适合应用于低功耗和分布式的数据检测场合。图1中的DS18B20采用寄生供电方式,DS18B20的电源从数据线DQ端获得。
CC2430是基于IEEE802.15.4的2.4 G的SOC(System.On.Chip),内部整合了8052的内核和IEEE802.15.4无线收发器(RF)的全部功能。其中RF功能还包括能量觉察Energy detection/RSSI(Receive Signal Strength Indicator)功能,可用于短距离无线定位。另外,CC2430还具有超低功耗的优点,休眠模式电流仅0.9 p.A;具有电池电压检测和温度监控功能,是较佳的ZigBee节点的解决方案。
1.jpg

3 程序说明
图1所示电路已经实现ZigBee协议的最下面2层,即IEEE802所包含的物理层和中间访问控制层,ZigBee除IEEE802.15.4所包含的2层外,网络层和应用层需要由软件来实现。IC的供应商以库文件的形式向用户提供完整ZigBee协议栈,用户仅仅完成应用程序的设计便可。应用程序包括各部分功能模块的初始化,中断处理和读写DS18B20的温度检测程序。其中初始化程序包括系统主时钟源设置、ADC初始化、串口(UART)初始化、时钟模式初始化、AES(Advanced Encryption Standard)初始化、RF初始化、中断初始化和DSl8820初始化等。由于文章篇幅限制,这里给出主程序的流程图,如图2所示。
2.jpg

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发表于 2021-7-28 17:11:17 | 显示全部楼层 来自 台湾省
Thanks share nice
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发表于 2022-2-22 15:59:29 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市南山区
学习一下
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发表于 2023-1-2 18:24:35 来自手机 | 显示全部楼层 来自 湖北省
感谢分享
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发表于 2023-2-7 08:53:20 | 显示全部楼层 来自 广东省广州市
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发表于 2023-10-18 10:06:43 | 显示全部楼层 来自 浙江省杭州市
谢谢分享  好人好报
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