基于ZigBee 与无线传感网络在远程数据采集的应用研究

一、背景概述

在边远地区，例如远离都市的油田或易发生山体滑坡的地带，数据的采集与传输需求依然存在。传统的手动记录和便携式数据存储方式已不再适用于油井开采现场的数据采集。随着信息技术和自动化技术的不断进步，目前主要采用16 位微处理器和RS485 总线技术实现远程通信。然而，这些系统存在响应速度迟缓、数据传输速率低下以及布线复杂且易受干扰等问题。因此，有必要探索采用更为先进的远程数据采集技术。

二、基于ZigBee 与无线传感网络在远程数据采集的应用方案

2.1ZigBee 技术

ZigBee 是一种标准化的无线通信协议，旨在规定短距离、低数据传输速率的无线通信技术。该技术所采用的工作频段包括 868MHz、915MHz 以及 2.4GHz，其最大数据传输速率可达 250KB/s。本质上，ZigBee 构成了一个类似于现代移动通信网络的数据无线传输平台。在该网络架构中，每个蜂窝传输模块扮演着类似于移动网络基站的角色，它们能够在整个网络覆盖范围内实现相互间的通信。目前， ZigBee 网络已具备与现有的互联网及其他公共网络进行互联的能力，从而支持远程控制功能[2]。

2.2 无线传感网络

无线传感网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）的标准化定义为：由众多静止或移动的传感器节点通过自组织和多跳通信方式构成的无线网络系统。无线传感网络节点的结构主要包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及电源管理模块。其核心功能在于协同探测、处理并传输网络覆盖区域内目标对象的检测信息，并将结果反馈给用户。

无线传感网络（WSN）具备以下特征：

1）自组织性：网络能够自动配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议，形成一个自动转发监测数据的多跳无线网络系统；

2）以数据为中心：数据本身作为查询或传输的核心线索；

3）应用相关性：针对不同的应用场景，对传感器网络的需求各异

4）动态性：网络拓扑结构会因多种因素变化而动态调整；

5）网络规模庞大：网络覆盖范围广泛，节点部署密集。在不同空间获取信息时，信噪比更高，分布式处理大量采集数据，提升数据处理的精确度，降低对单个节点精度的依赖，存在大量冗余节点，具备容错能力，覆盖区域广阔，有效减少盲区；

6）可靠性：传感器节点具有较高的耐用性，能够适应各种环境条件。

2.3ZigBee 与无线传感网络在远程数据采集的实现

采用ZigBee 网络技术，数据采集发送端所采集的压力与温度数据经由 ZigBee 节点设备传输至嵌入式服务器内的协调器 [3]。数据接收监测端由 ZigBee 协调器、STM32 控制器及上位机监控软件构成。协调器承担接收来自ZigBee 节点的无线数据传输任务，并将数据转发至STM32 控制器。随后，STM32控制器通过以太网将压力和温度数据发送至远程监控PC端，以实现数据的实时监控。系统总体结构示意如图 1 所示。

图1：传感监控系统总结构成示意图

2.3.1 数据采集发送端

在本研究中，ZigBee 节点的设计选用了 CC2530 芯片，并集成了物理量传感器。CC2530 芯片通过输入 / 输出端口与压力传感器和温度传感器相连接。在 CC2530 芯片内部，处理器与传感器之间的数据交换采用IIC（Inter-Integrated Circuit）总线协议进行。传感器所采集的压力和温度数据，经过模数转换后，被传送至 8051 微处理器。微处理器负责控制传感器节点与其它传感器节点或汇聚节点之间的通信。此外，RF 无线收发器通过串行外设接口（SPI）与处理模块相连接。

2.3.2 数据监测接收端

在本研究中，数据监测接收端的硬件架构主要由 ZigBee 协调器与基于 STM32 的嵌入式以太网控制服务器构成。ZigBee 协调器的核心组件为 CC2530 芯片，而嵌入式以太网控制服务器的硬件设计则选用了基于Cortex-M3 内核的处理器作为主控单元，并集成了 ENC28J60 以太网芯片以实现网络通信功能。

2.3.3 系统软件设计

本研究之核心功能在于实现对偏远地区物理参数（包括但不限于压力、温度、位移等）的实时监测与数据采集。通过 ZigBee 技术构建的物联网传感网络，将采集到的数据从各个节点设备传输至嵌入式服务器的协调器。协调器在完成初始化流程、频道选择以及网络建立后，随即转入无线监听模式。在监测到新的传感器节点请求接入网络时，协调器将负责为该节点分配唯一的网络地址，并接收其数据。随后，数据通过串口传输至 STM32 处理器，并最终通过以太网上传至监控 PC。系统整体工作流程详见图 2。

图 2：系统总体工作流程图

三、结论与展望

本研究提出了一种基于 STM32 嵌入式处理器与 ENC28J60 的嵌入式系统解决方案，该方案通过ZigBee 传感网络实现压力和温度数据的采集，并将数据传输至服务器。随后，服务器通过以太网将数据转发至监控端，为油田信息化监控领域提供了一种有效的技术手段。此外，本研究还对ZigBee 技术进行了深入探讨，指出基于 ZigBee 技术构建的无线传感网络（WSN）在智慧交通、智能家居、健康监测以及移动定位等业务场景中具有广泛的应用潜力。鉴于此，进一步深入研究 ZigBee 技术，以拓展无线传感网络通信在更多工作场景中的应用，显得尤为必要。

参考文献

[1] 母长绵 . 油井数据采集远程监控方案的探索与实施 [J]. 科技创新导报，2012（9）:92.

[2] 肖静，刘琦，陈锐，廖志良 . 基于 ZigBee 网络的盾构滚刀磨损在线监测系统设计 [J]. 现代制造工程，2021（005）.

[3] 唐新宇，唐超尘，刘鑫 . 基于 ZigBee 和循环神经网络的城市空气质量预测 [J]. 沈阳大学学报，2021（003）.