CN101908377B - 一种基于Zigbee无线通讯的模块化数据记录仪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Zigbee无线通讯的模块化数据记录仪及工作方法，主机模块、主节点模块和若干个从节点模块共同组成星型无线网络拓扑结构，设置主机模块以配置各个从节点模块的功能，主机模块将该设置数据信息发送给主节点模块，主节点模块通过第一Zigbee无线通讯模块和一发射接收天线无线传输发送给指定的从节点模块，从节点模块接收到这些设置数据信息后按照要求对测试进行配置，对通道的信号进行采集并计算，将结果通过第二Zigbee无线通讯模块和另一发射接收天线发送给主节点模块，主节点模块接收后将数据保存至EEPROM，在主机模块空闲时发送给主机模块；本发明数据采集实现模块化，***扩展和升级方便，在组建***时无需复杂的布线和供电，传输更加可靠。

Description

一种基于Zigbee无线通讯的模块化数据记录仪及工作方法

技术领域

本发明涉及一种数据记录仪，尤其涉及采用无线数据传输的模块化数据记录仪。 

背景技术

目前，传统的数据记录仪主要由数字电路板和模拟电路板两部分构成，这两部分均为整块电路板结构，数字电路板和模拟电路板间用通讯电缆连接，其缺陷是；1、功能扩展非常不便，功能升级时往往需要更换整块电路板；2、模块化程度不高，用户采购时需要指定通道数，后期升级和功能增添非常不便；3、不支持无线传输，在进行远距离测试时需将传感器线延伸的很长，导致测试精度和可靠性都降低。 

“Zigbee”即一种全新无线网络数据通信技术，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数据模块类似移动网络的一个基站，有星状、片状和网状网络结构，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接，Zigbee具有以下特点：1、低功耗，适合电池供电。2、低成本，通讯协议简单，频段免执照。3、通讯速度为20～250kpbs，适合信号采集。4、安全可靠，采用三级安全模式。 

发明内容

本发明的目的是利用现有Zigbee技术无线传输的优势，克服现有数据记录仪模块化程度低、测试距离短的不足而提供一种基于Zigbee无线通讯的模块化数据记录仪。 

本发明的另一目的是提供该模块化数据记录的工作方法，实现数据记录仪的完全模块化、可扩展化和便捷化的远距数据采集。 

本发明模块化数据记录仪采用的技术方案是：包括主机模块、主节点模块以及若干从节点模块，主机模块连接主节点模块，主节点模块分别与从节点模块通过无线连接，共同组成星型无线网络拓扑结构。 

本发明模块化数据记录仪的工作方法包括：设置主机模块以配置各个从节点模块的功能，主机模块将该设置数据信息发送给主节点模块，主节点模块通过第一Zigbee无线通讯模块和一发射接收天线无线传输发送给指定的从节点模块，从节点模块接收到这些设置数据信息后按照要求对测试进行配置，对通道的信号进行采集并计算，将结果通过第二Zigbee无线通讯模块和另一发射接收天线发送给主节点模块，主节点模块接收后将数据保存至EEPROM，在主机模块空闲时发送给主机模块； 

通过主机模块人机界面输入扩展或删除的从节点模块的物理地址，并将物理地址和命令发送给主节点模块，主节点模块接收到后将命令广播发送给各个在线的从节点模块，若有节点的物理地址与之相匹配则作出回应，主节点模块收到回应则将从节点模块的物理地址添加或删除； 

当使用外用电源时，电池管理电路通过电池充电接口对模拟电路、低功耗单片机和Zigbee无线通讯模块供电，同时对锂电池充电；当不使用外部供电时，电池管理电路启用锂电池供电，并进行电压转换后供给模拟电路、低功耗单片机、Zigbee无线通讯模块； 

从节点模块若是采集模块则采集数据并将数据传输给主节点模块，若是变送模块或报警模块则执行主节点模块发送的指令。 

本发明的有益效果是： 

1、数据采集实现模块化，整个仪器***包括一个主模块和若干从模块。主模块作为主节点一方面实现对数据进行暂存，另一方面实现对从节点进行配置，从模块可以是采集模块、变送模块或报警模块。 

2、***扩展和升级方便，Zigbee的节点容量大，节点扩展方便，如果***要***新的模块，可以直接通过对主节点进行配置增加或删除节点。 

3、实现便携化，采集模块使用大容量锂电池供电，由于Zigbee的功耗比较小，加上数据采集电路的功耗相对很小和低功耗单片机的使用，在一次性充满电后可供模块工作几十天，只需携带单张采集模块卡就可在有效的无线通讯范围内进行数据采集。 

4、在组建***时无需复杂的布线和供电，传输变得更可靠. 

附图说明

图1是本发明的结构组成图； 

图2是图1中主机模块1的结构组成图； 

图3是图1中主节点模块2的结构组成图； 

图4是图1中单个从节点模块的结构组成图； 

图5是图1中主节点模块2增加从节点模块的方法流程图； 

图6是图1中主节点模块2删除从节点模块的方法流程图。 

具体实施方式

如图1所示，整个数据记录仪包括主机模块1、主节点模块2以及其它若干个从节点模块3…n。主机模块1连接主节点模块2，主节点模块2分别与从节点模块3、从节点模块4、从节点模块5、从节点模块6、从节点模块n通过无线连接。主机模块1、主节点模块2和若干个从节点模块3…n共同组成星型无线网络拓扑结构。 

主机模块1的组成如图2，主机模块1包括ARM处理器20，ARM处理器20分别和液晶显示屏19、键盘24、U盘接口21、以太网接口22、SPI(同步串行总线)主机接口23相连。主机模块1主要实现人机接口功能、数据保存功能、数据运算功能、控制功能和以太网接口功能，而这些运算功能和外设的控制都是由ARM处理器20来实现。在进行无纸数据记录时，所有的采集模块采集到的数据经过主机节点模块2中转后发送给主机模块1，主机模块1根据用户要求可以将数据通过U盘接口21存入U盘，也可根据用户要求将数据通过以太网接口22上传PC机或其它设备。液晶显示屏19用于显示采集到的数据或一些设置参数，同时和键盘24组成了人机界面供用户进行设置，通过主节点模块2可以对每个从节点模块3…n的节点进行功能配置。 

主节点模块2的组成如图3所示，主要由单片机16、EEPROM15、SPI从机接口14和第一Zigbee无线通讯模块17组成，单片机16分别连接EEPROM(电读写非易失性储存器)15、Zigbee无线通讯模块17和SPI从机接口14，Zigbee无线通讯模块17和主节点模块2内部的一个发射接收天线18相连接。单片机16通过SPI从机接口14和主机模块1的SPI主机接口23相连，和主机模块1进行通讯。通过Zigbee无线通讯模块17和从节点模块3…n进行通讯。同时单片机16用EEPROM15建立堆栈对数据进行缓存，在通讯时起协调作用。发射接收天线18起增强接收信号和发射信号作用。 

每个从节点模块3…n的组成如图4所示，从节点模块模块3…n主要由电池管理电路10、模拟电路9、低功耗单片机11、第二Zigbee无线通讯模块12组成。电池管理电路10分别与锂电池7、电池充电接口8连接，同时电池管理电路10和模拟电路9、低功耗单片接11、Zigbee无线通讯模块12相连接，Zigbee无线通讯模块12和该从节点模块内部的发射接收天线13相连。电池管理电路10在充电时对电池进行充电管理，在电池供电时对电池电源进行电压转换并对其它电路进行供电，同时监视电池电量。低功耗单片机11主要功能是对模拟电路进行控制和对采集到的数据进行运算、监视电池电量信息、通过Zigbee无线通讯模块12和主节点模块2进行通讯。发射接收天线12起增强接收信号和发射信号作用。模拟电路9的种类的不同，可以是采集模块、变送模块或者是报警模块。采集模块是一款8通道的数据采集卡，输入信号可以是各种热电偶信号、热电阻信号、4～20mA电流现场总线信号也可以是0～5V电压现场总线信号或0～10kHz频率信号。变送模块是一款将传感器信号变送成4～20mA电流或0～5V电压信号的现场总线信号的功能模块。当 用户需要将某个传感器信号变送成现场总线信号时，主机模块1通过主节点模块2得到指定采集模块上的指定通道的传感器信号后通过运算后发送指令给主节点模块2，由主节点模块2中转并将无线发送给指定的变送模块，变送模块根据接收到的指令输出相应的现场总线信号电流或电压。报警模块功能是通过对采集道的某个信号进行监视，一旦发现该信号超出主机模块1所设定范围，便控制打开或闭合模块上的继电器，主机模块1通过主节点模块2得到指定采集模块上的指定通道的传感器信号后通过和用户设定上下限值比较后发送指令给主节点模块2，由主节点模块2中转并将无线发送给指定的报警模块。 

为了实现完全无线化和实现便携式，从节点模块3…n支持电池供电。当使用外用电源时，电池管理电路10通过电池充电接口8对模拟电路9、低功耗单片接11、Zigbee无线通讯模块12进行供电，同时对锂电池7进行充电。当不使用外部供电时，电池管理电路10启用锂电池7供电，并进行电压转换后供给模拟电路9、低功耗单片接11、Zigbee无线通讯模块12模块。模拟电路9采用了大量的低功耗器件，低功耗单片接11采用德州仪器的MSP430系列低功耗单片机，工作电流在1mA以下，Zigbee模块在发送接收模式下的功耗也仅为几十个毫安，加上该模块具备的休眠功能，只需在启用传输时才唤醒，因此整个节点模块的平均功耗可控制在十个毫安以内。锂电池7采用4.2伏5000毫安时的锂电池时，该模块可以连续工作20天以上。当电池电量下降时，从节点模块会通过无线传输将电量过低的信息通过主节点模块2中转给主机模块1，主机模块1收到后会提示用户。 

图3中的Zigbee无线通讯模块17和图4中的Zigbee无线通讯模块12是同一种模块电路，这种模块电路的核心是一款无线射频芯片，它的功能是将串口异步通讯转成符合802.15.4(802.15.4协议是符合IEEE规范的官方标准，主要运用于低速无线个人区域网)协议的无线通讯，它工作于2.4G免授权频段，支持16个最大传输速率为250kbps的信道。该模块具有很低的功耗，同时具有休眠模式因此非常适合于电池供电***。 

图1中的整个无线网络拓扑结构采用星型连接，主节点模块2在整个网络中起协调器和控制器的作用，对从节点模块3…n进行功能配置和控制，同时将从节点模块3…n采集到的数据进行暂存在大容量的外部EEPROM15里，并在主机模块1空闲时将数据传输给主机模块1。主机模块1对主节点模块2进行设置时将命令发送给主节点模块2，经它中转无线发送给各个从节点模块3…n。从节点模块3…n如果是采集模块则主要负责采集数据并将数据传输给主节点模块2，如果是个变送模块或报警模块则执行主节点模块2发送过来的指令。主节点模块2和主机模块1通过SPI连接进行高速双向通讯，主节点模块2的电源由主机模块1提供。所有入网的从节点物理地址(每个从节点模块的物理地址是唯一的， 存于从节点模块的单片机中的EEPROM里)存储于主节点模块2的EEPROM 15里，在通讯时这些物理地址和数据一起构成数据包。 

从节点的扩容也主要是由主节点模块2完成的。当整个***需要扩展时，流程如图5：用户通过主机模块1人机界面输入要扩展的从节点模块的物理地址，并将物理地址和命令一起发给主节点模块2，主节点模块2接收到后将命令广播发送给各个在线的从节点模块3…n，如果有节点的物理地址与之相匹配，则作出回应，主节点模块2收到回应则将该从节点模块的物理地址添加到地址列表里。 

当整个***需要删除时，流程如图6：用户通过主机模块1人机界面输入要删除的从节点模块的物理地址，并将物理地址和命令一起发给主节点模块2，主节点模块2接收到后将命令后广播发送给各个在线的从节点模块3…n，如果有节点的物理地址与之相匹配，则作出回应，主节点模块2收到回应则将地址列表里的该从节点模块的地址删除，主节点模块2不再将该从节点纳入通讯范围，即从网络里脱离出来。 

本发明的工作流程如下：用户通过对设置主机模块1来配置各个从节点模块3…n的功能，如设置数据的采样速度、设置采样何种传感器信号、启用几个通道等。主机模块1将这些设置数据信息通过SPI总线发送给主节点模块2，主节点模块2则将这些命令数据通过第一Zigbee无线通讯模块17和发射接收天线18无线传输发送给指定的从节点模块3…n。从节点模块3…n接收到这些设置数据信息后会按照用户要求对测试进行配置。配置完成后，该从节点模块3…n开始对通道的信号进行采集并计算，将结果通过第二Zigbee无线通讯模块12和发射接收天线13发送给主节点模块2，主节点模块2接收到这些数据后会先将数据保存到EEPROM15里，在主机模块1空闲的时候一起发送给主机模块1，如果数据记录功能打开的话，主机模块1将数据记录在U盘，这些数据信息是由一个结构体数组，给个结构体包括时间信息、测试结果、传感器类型、测试通道号。如果从节点模块3…n是变送模块或报警模块，主机模块1会将测试结果进行重新运算，将结果通过主节点模块2发送给制定的从节点模块3…n，让这些从节点模块3…n输出正确的报警信息或变送信号。 

Claims (1)

1.一种基于Zigbee无线通讯的模块化数据记录仪的工作方法，该工作方法采用基于Zigbee无线通讯的模块化数据记录仪，该模块化数据记录仪包括主机模块(1)、主节点模块(2)以及若干从节点模块(3…n)，主机模块(1)连接主节点模块(2)，主节点模块(2)分别与从节点模块(3…n)通过无线连接，共同组成星型无线网络拓扑结构，所述主机模块

(1)包括ARM处理器(20)及分别与其连接的液晶显示屏(19)、键盘(24)、U盘接口(21)、以太网接口(22)和SPI主机接口(23)；所述主节点模块(2)包括由单片机(16)及分别与其连接的SPI从机接口(14)、EEPROM(15)和第一Zigbee无线通讯模块(17)，第一Zigbee无线通讯模块(17)连接一发射接收天线(18)，SPI从机接口(14)与主机模块(1)的SPI主机接口(23)相连；每个所述从节点模块(3…n)包括电池管理电路(10)，电池管理电路(10)分别与锂电池(7)、电池充电接口(8)、模拟电路(9)、低功耗单片接(11)和第二Zigbee无线通讯模块(12)连接，低功耗单片接(11)分别连接模拟电路(9)和第二Zigbee无线通讯模块(12)，第二Zigbee无线通讯模块(12)与另一发射接收天线(13)相连；所述模拟电路(9)为采集模块、变送模块或报警模块，其特征是包括：

1)设置主机模块(1)以配置各个从节点模块(3…n)的功能，主机模块(1)将设置数据信息发送至主节点模块(2)，主节点模块(2)通过第一Zigbee无线通讯模块(17)和一发射接收天线(18)无线传输发送至指定的从节点模块(3…n)，从节点模块(3…n)接收到这些设置数据信息后按照要求对测试进行配置，对通道的信号进行采集并计算，通过第二Zigbee无线通讯模块(12)和另一发射接收天线(13)将结果发送至主节点模块(2)，主节点模块(2)接收后将数据保存至EEPROM(15)，在主机模块(1)空闲时发送给主机模块(1)；

2)通过主机模块(1)人机界面输入扩展或删除的从节点模块的物理地址，并将物理地址和命令发送给主节点模块(2)，主节点模块(2)接收到后将命令广播发送给各个在线的从节点模块(3…n)，若有节点的物理地址与之相匹配则作出回应，主节点模块(2)收到回应则将从节点模块的物理地址添加或删除；

3)当使用外用电源时，电池管理电路(10)通过电池充电接口(8)对模拟电路(9)、低功耗单片机(11)和第二Zigbee无线通讯模块(12)供电，同时对锂电池(7)充电；当不使用外部供电时，电池管理电路(10)启用锂电池(7)供电，并进行电压转换后供给模拟电路(9)、低功耗单片机(11)、第二Zigbee无线通讯模块(12)；

4)从节点模块(3…n)若是采集模块则采集数据并将数据传输给主节点模块(2)，若是变送模块或报警模块则执行主节点模块(2)发送的指令。

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