基于ZigBee的无线数据转发系统及方法与流程

本发明涉及一种无线数据转发系统及方法，具体地，涉及一种基于ZigBee的无线数据转发系统及方法。

背景技术：

航天产品运输过程中需要实时监测运输过程的振动信号，以确保航天产品运输的可靠性。

传统的振动信号采集采用电缆传输方式，将振动传感器端的信号通过长电缆传输至本地采集端进行采集。由于采集设备与振动传感器距离较远或中间存在障碍物等会使得电缆布置、使用非常不方便，前期准备工作费时费力。

尤其是在铁路运输中，仪器车厢与产品所在的平板车相距较远(一般20～50米)，需要通过长电缆进行连接如图1所示。电缆笨重且繁琐，携带也非常不方便。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于ZigBee的无线数据转发系统及方法，其实现了数据的无线转换，改变了传统电缆的部署方式；安装使用起来较有线方式方便；无线数据通信距离大于五十米，增加了信号的传输距离；提高了信号传输能力和便捷程度，且通用性较高，具有一定的实用价值。

根据本发明的一个方面，提供一种基于ZigBee的无线数据转发系统，其包括：

主控电路，用于集成一个增强型的8051单片机内核和一个收发器内核，工作频率为2.4GHZ；

ZigBee协议芯片，用于短距离、低功耗的无线通信，采用TI公司的CC2530芯片，建立在基于IEEE802.15.4标准协议之上；

数据接收模块，用于接收无线数据消息；

数据发送模块，用于发送无线数据消息至系统；

Z-Stack协议栈模块，用于实现无线组网、无线数据收发及串口读写等功能，将各个层定义的协议集合在一起，以函数的形式实现，并提供用户接口给用户调用，定义物理层和介质访问层技术规范；

任务调度模块，用于通过任务轮循机制来进行任务调度；系统运行过程中通过循环查询的方式来判断有无任务事件发生，当有任务事件发生时，则进入中断调用任务处理函数处理任务；同一时间有多个任务发生，则首先判断任务的优先级，按照任务的优先级依次进行处理；

串口转换电路，用于方便在笔记本电脑上使用串口通信；用USB接口模拟串口转换电路，采用CH340芯片；

电源转换电路，用于使用USB接口提供的正5V电源通过一个AMS1117电源芯片将电压转换至3.3V，以供CC2530芯片使用；

复位及下载电路，复位用于在出现软件跑飞情况时通过按钮开关将CC2530芯片RESET_N脚接VCC进行复位，让电路运行正常；下载电路用于通过CC2530P口的程序写入功能进行软件的写入；

天线巴伦电路，用于在天线和CC2530之间进行阻抗匹配，把流入电缆屏蔽层的电流遏制掉。

优选地，所述电源转换电路包括第一芯片、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容；第十电容、第十一电容与第一芯输入端连接，第十二电容、第十三电容与第一芯输出端连接。

优选地，所述主控电路包括第三芯片、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第十四电容、第二十四电容、第二十五电容、第二十六电容、第二十七电容、第二晶振、第三晶振、第一电阻、第二电感、第三电感、第四电感；第二电感、第三电感、第四电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容与第三芯片的天线数据接收口连接；第一电阻与第三芯片连接；第十四电容与第三芯片连接；第二晶振、第二十六电容、第二十七电容与第三芯片连接；第三晶振、第二十四电容、第二十五电容与第三芯片连接。

优选地，所述串口转换电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第九电容、第二芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一晶振，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第九电容、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一晶振都与第二芯片连接，第五电阻与第六电阻连接，第一电容、第二电容都与第一晶振连接，第九电容与第九电阻连接。

本发明还提供一种基于ZigBee的无线数据转发方法，其包括任务调度方法、协调器建立网络方法、路由器加入网络方法、数据发送方法、数据接收方法。

优选地，所述任务调度方法包括以下步骤：

步骤一，开始；

步骤二，关闭所有中断；

步骤三，初始化系统时钟；

步骤四，使能全部中断；

步骤五，操作系统初始化；

步骤六，执行操作系统；

步骤七，判断是否有事件发生，是则转步骤八，否则转步骤六；

步骤八，判断是否为高优先级，是则转步骤九，不是则转步骤七；

步骤九，执行任务处理函数；

步骤十，判断是否处理完毕，是则转步骤七，否则转步骤八。

优选地，所述协调器建立网络方法包括以下步骤：

步骤十一，开发；

步骤十二，模块初始化；

步骤十三，判断是否已存在网络，是则转步骤十五，否则转步骤十四；

步骤十四，启动协议栈并初始化；

步骤十五，设置PAN ID；

步骤十六，建立网络；

步骤十七，等待节点加入。

优选地，所述路由器加入网络方法包括以下步骤：

步骤二十一，开始；

步骤二十二，模块初始化；

步骤二十三，判断是否发现网络，是则转步骤二十四，否则转步骤二十二；

步骤二十四，发送入网请求；

步骤二十五，判断是否同意入网，是则转步骤二十六，否则转步骤二十三；

步骤二十六，获取网络地址；

步骤二十七，入网。

优选地，所述数据发送方法包括以下步骤：

步骤三十一，开始；

步骤三十二，串口初始化；

步骤三十三，判断串口是否有数据，是则转步骤三十四，否则转步骤三十二；

步骤三十四，串口回调函数；

步骤三十五，封装系统消息；

步骤三十六，发送消息至系统，完成后转至步骤三十二。

优选地，所述数据接收方法包括以下步骤：

步骤四十一，开始；

步骤四十二，接收无线数据消息；

步骤四十三，进入事件处理函数；

步骤四十四，解析无线数据；

步骤四十五，将数据写至串口，完成后转至步骤四十一。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：实现了数据的无线转换，改变了传统电缆的部署方式；安装使用起来较有线方式方便；无线数据通信距离大于五十米，增加了信号的传输距离；提高了信号传输能力和便捷程度，且通用性较高，具有一定的实用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的系统模块图。

图2为本发明中电源转换电路的电路图。

图3为本发明中主控电路的电路图。

图4为本发明中串口转换电路的电路图。

图5为本发明中任务调度方法的流程图。

图6为本发明中协调器建立网络方法的流程图。

图7为本发明中路由器加入网络方法的流程图。

图8为本发明中数据发送方法的流程图。

图9为本发明中数据接收方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明基于ZigBee(基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议)的无线数据转发系统包括主控电路、ZigBee协议芯片、数据接收模块、数据发送模块、Z-Stack协议栈模块、任务调度模块、串口转换电路、电源转换电路、下载调试电路、天线巴伦电路，其中：

主控电路，用于集成一个增强型的8051单片机内核和一个收发器内核，工作频率为2.4GHZ；

ZigBee协议芯片，用于短距离、低功耗的无线通信，采用TI(Texas Instruments，德州仪器)公司的CC2530芯片，建立在基于IEEE802.15.4标准协议之上；

数据接收模块，用于接收无线数据消息；

数据发送模块，用于发送无线数据消息至系统；

Z-Stack(协议栈)协议栈模块，用于实现无线组网、无线数据收发及串口读写等功能，将各个层定义的协议集合在一起，以函数的形式实现，并提供用户接口给用户调用，定义物理层和介质访问层技术规范；

任务调度模块，用于通过任务轮循机制来进行任务调度；系统运行过程中通过循环查询的方式来判断有无任务事件发生，当有任务事件发生时，则进入中断调用任务处理函数处理任务；同一时间有多个任务发生，则首先判断任务的优先级，按照任务的优先级依次进行处理；

串口转换电路，用于方便在笔记本电脑上使用串口通信；用USB接口模拟串口转换电路，采用CH340芯片；

电源转换电路，用于使用USB(通用串行总线)接口提供的正5V电源通过一个AMS1117电源芯片将电压转换至3.3V，以供CC2530芯片使用；

复位及下载电路，用于复位用于在出现软件跑飞情况时通过按钮开关将CC2530芯片RESET_N脚接VCC进行复位，让电路运行正常；下载电路用于通过CC2530P口的程序写入功能进行软件的写入；

天线巴伦电路，用于用于在天线和CC2530之间进行阻抗匹配，把流入电缆屏蔽层的电流遏制掉。

如图2所示，电源转换电路包括第一芯片U1、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13，第十电容、第十一电容与第一芯片U1输入端连接，第十二电容、第十三电容与第一芯片U1输出端连接。

如图3所示，主控电路包括第三芯片U3、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第十四电容C14、第二十四电容C14、第二十五电容C25、第二十六电容C26、第二十七电容C27、第二晶振X2、第三晶振X3、第一电阻R1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4。第二电感、第三电感、第四电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容与第三芯片的天线数据接收口连接。第一电阻与第三芯片连接。第十四电容与第三芯片连接。第二晶振、第二十六电容、第二十七电容与第三芯片连接。第三晶振、第二十四电容、第二十五电容与第三芯片连接。

如图4所示，串口转换电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第九电容C9、第二芯片U2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一晶振Y1，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第九电容C9、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一晶振都与第二芯片U2连接，第五电阻R5与第六电阻R6连接，第一电容C1、第二电容C2都与第一晶振连接，第九电容C9与第九电阻R9连接。

本发明基于ZigBee的无线数据转发方法包括任务调度方法、协调器建立网络方法、路由器加入网络方法、数据发送方法、数据接收方法。

如图5所示，任务调度方法包括以下步骤：

步骤一，开始；

步骤二，关闭所有中断；

步骤三，初始化系统时钟；

步骤四，使能全部中断；

步骤五，操作系统初始化；

步骤六，执行操作系统；

步骤七，判断是否有事件发生，是则转步骤八，否则转步骤六；

步骤八，判断是否为高优先级，是则转步骤九，不是则转步骤七；

步骤九，执行任务处理函数；

步骤十，判断是否处理完毕，是则转步骤七，否则转步骤八。

如图6所示，协调器建立网络方法包括以下步骤：

步骤十一，开发；

步骤十二，模块初始化；

步骤十三，判断是否已存在网络，是则转步骤十五，否则转步骤十四；

步骤十四，启动协议栈并初始化；

步骤十五，设置PAN ID(个域网标志符)；

步骤十六，建立网络；

步骤十七，等待节点加入。

如图7所示，路由器加入网络方法包括以下步骤：

步骤二十一，开始；

步骤二十二，模块初始化；

步骤二十三，判断是否发现网络，是则转步骤二十四，否则转步骤二十二；

步骤二十四，发送入网请求；

步骤二十五，判断是否同意入网，是则转步骤二十六，否则转步骤二十三；

步骤二十六，获取网络地址；

步骤二十七，入网。

如图8所示，数据发送方法包括以下步骤：

步骤三十一，开始；

步骤三十二，串口初始化；

步骤三十三，判断串口是否有数据，是则转步骤三十四，否则转步骤三十二；

步骤三十四，串口回调函数；

步骤三十五，封装系统消息；

步骤三十六，发送消息至系统，完成后转至步骤三十二。

如图9所示，数据接收方法包括以下步骤：

步骤四十一，开始；

步骤四十二，接收无线数据消息；

步骤四十三，进入事件处理函数；

步骤四十四，解析无线数据；

步骤四十五，将数据写至串口，完成后转至步骤四十一。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。