1、 学 位 论 文 基于 Zigbee 技术的 CCD 集成视诊系统无线通信方案的设计 指导教师姓名： 申请学位级别： 工程硕士 学科、专业名称： 仪器仪表工程 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 答辩委员会主席： 评 阅 人： 河北工业大学工程硕士学位论文 基于 Zigbee 技术的 CCD 集成视诊系统 无线通信方案的设计 摘 要 在目前的 CNC 在线诊断系统中，数据的分布式采 集和传输多依靠传统的传感器、工业以太网等方式实现。这种方式使得受现场条件的限制，信息的监测点很难随着实际情况进行变更，限制了系统的安装和运行。近几年，随着现代数控技术想着智能化、开放化、网络化的方向发展
2、，应用无线通信技术来解决这一问题成文了近年来国内外数控系统研究和设计的一个主要趋势。 本文首先面向 CNC 加工装备，将在线监控诊断技术与现代无线通信技术相融合，针对应用于加工过程复杂工况的 CCD 集成视诊功能要求，提出了一种基于 Zigbee 技术的无线传感器网络构建的在线检测系统。该传输系统经嵌入式系 统与 CNC 加工装备相连接，可以实时完成采集数据和控制信号的双向传输。 其次，根据系统底层节点信息传递需求及无线通信技术应用环境，给出了 CNC 加工装备信息系统集成构架和主要功能实现。 考虑到传感器节点能耗与无线传输的特性，采用了 TI 公司的 CC2430 一体式射频单片机；针对系统
3、软硬件低功耗的要求，给出基于 IEEE8012.15.4 协议和 Zigbee 通信标准的无线通信系统软件架构的设计方案及实现代码，实现了信息无线传输功能。在此技术上，利 用 TOSSIM 软件对系统进行仿真模拟，并从信 号的覆盖率、节点的能耗等方面分析了无线通信质量及工作性能。 最后，将该方案应用于 CNC 集成视诊系统，实现 CCD 凸显特征信号的无线传输，分析结果及现场验证表明：基于 Zigbee 技术的 CNC 无线通信系统运行正常，实用性和有效性可以很好的适应工业现场应用环境。 关键词： CNC 集成装备， Zigbee 技术，无线通信，数据传输，嵌入式控制 i 基于 ZIgbee
4、技术的 CCD 集成视诊系统无线通信方案的设计 Design of Wireless Communication Programme for CCD Integrated Visual Examination System Base on Zigbee Technology ABSTRACT In the current CNC on-line diagnosis system ， the distributed data acquisition and transmission are effectuated largely by traditional sensors and Indust
5、rial Ethernet.Limited by field conditions, the information monitoring point is difficult to change with actual situation, which restricts the system installation and running. In recent years, with the development of modernNumerical control technology in the direction of intelligent, open and network
6、, the utilization of wireless communication technology becomes the main trend in the field of numerical control system research and design to solve this problem. Firstly, by reviewing of CNC processing equipments, this article suggests an on-line testing system composed of wireless sensors network b
7、ased on Zigbee technology by the merger of on-line monitoring diagnosis technology and modern wireless communication technology, according to the functional requirements of CCD integrated optic diagnosis which applies to processing complicated conditions. This embedded transmission system connects w
8、ith CNC processing equipments, capable of simultaneous data gathering and bidirectional delivery of commanding signal. Secondly, this paper outlines the integrated structure of CNC processing equipments information system and the application of its main functions. Considering of the speciality of th
9、e sensor node energy consumption and wireless transmission, the author adopts CC2430-an integrated RF SCM made by TI company. And concerning the requirement of low hardware power consumption, this paper proposes the design scheme and application code to the software construction of wireless communic
10、ation system based on IEEE8012.15.4 agreement and Zigbee communication standard, so to realize the function of wireless information transmission. Based on such a technology, we employ TOSSIM software to imitate the real system, and analyse the quality and working performance of wireless communicatio
11、n by signal coverage and node energy consumptions,etc. ii 河北工业大学工程硕士学位论文 Lastly, the paper applies this solution to CNC integrated optic diagnosis system, to realize the wireless transmission of CCD characterized signal. The result and on-site proof indicates that the CNC wireless communication syst
12、em based on Zigbee technology runs smoothly, its practicability and effectiveness perfectly fit the industrial field conditions. Key words: CNC integrated equipment, Zigbee technology, wireless communication, data transmission, embedded control iii 基于 ZIgbee 技术的 CCD 集成视诊系统无线通信方案的设计 目录 第一章 绪论 . 1 1 -
13、1 引言 . 1 1 -2 国内外 CNC 以及应用于 CNC 的在线检测技术的发展概况 . 1 1 -3 无线传感器网络技术的发展与现状 . 2 1 -4 ZigBee 技术的优势 . 2 1 -5 课题背景与论文主要研究内容 . 3 1-5-1 课题的背景及研究意义 . 3 1-5-2 论文研究的主要内容 . 4 第二章 Zigbee 无线通信技术 . 5 2 -1 ZigBee 技术特点 . 5 2-1-1 主要技术特点 . 5 2-1-2 应用领域 . 6 2 -2 ZigBee 协议栈 . 6 2-2-1 ZigBee 协议与 IEEE802.15.4 . 6 2-2-2 物理层（
14、PHY）和介质访问控制层（ MAC） . 7 2-2-3 网络层（ NWK 层 ). 8 2-2-4 应用层（ APL 层） . 8 2-2-5 ZigBee 协议术语 . 10 2 -3 ZigBee 的实现模式 . 11 2-3-1 接力传送模式 . 11 2-3-2 自组网自恢复 . 11 2-3-3 休眠模式 . 11 2 -4 本章小结 . 12 第三章 系统总体设计方案 . 13 3 -1 CCD 集成视诊系统及应用分析 . 13 3 -2 系统总体设计方案 . 14 3-2-1 系统框架结构 . 14 iv 河北工业大学工程硕士学位论文 3-2-2 系统功能要求 . 14 3-2
15、-3 Zigbee 无线传感器设计 . 15 3 -3 相关支撑技术 . 15 3 -4 本章小结 . 16 第四章 系统硬件设计 . 17 4 -1 硬件总体结构设计 . 17 4-1-1 控制器芯片 . 17 4-1-2 CC2430 外围电路 . 19 4-1-3 射频部分 . 19 4 -2 外围接口及电源 . 21 4-2-1 RS-232 接口电路 . 21 4-2-2 电源模块 . 21 4 -3 本章小结 . 21 第五章 系统程序设计 . 22 5.1 程序设计 . 22 5-1-1 Zigbee 模块初始化 . 22 5-1-2 Zigbee 通信模块驱动设计 . 23 5
16、 -2 唤醒模式 . 29 5 -3 节点测试 . 29 5-3-1 串口调试 . 29 5-3-2 点对点测试 . 30 5 -4 本章小结 . 30 第六章 系统仿真 . 31 6 -1 TOSSIM . 31 6 -2 TOSSIM 的仿真方法 . 32 6 -3 仿真试验与分析 . 33 6 -4 本章小结 . 34 第七章 系统性能测试 与应用 . 35 v 基于 ZIgbee 技术的 CCD 集成视诊系统无线通信方案的设计 7 -1 无线传感器网络及节点性能测试 35 . 7-1-1 通信距离及接收灵敏度测试 . 35 7-1-2 通信能耗测试 . . 36 7 -2 CCD 视诊
17、系统应用测试 . 37 7-2-1 数控机床视觉诊断内容及模型概述 . 37 7-2-2 Zigbee 无线网络传感器在 CCD 视诊系统 应用实例 . 37 7 -3 本章小结 . 39 第八章 总结和展望 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 43 vi 河北工业大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1 -1 引言 在二十一世纪，工业制造技术的发展水平直接影响着整个国家科学技术和经济实力的发展水平。数 控技术和装备的研究和设计是国家发展高科技产业和高尖端工业的基础和保证。生产资料是生产力的重 要因素，工业制造技术及工业制造装备就是目前工作生产最基本的生产资料。作为目前最前沿的制造技 术和装
18、备最核心的技术，数控技术对提高工业制造水平，加强劳动生产率有着至关重要的作用。目前世 界各国都在努力研究数控技术，提高自身的工业制造水平，以达到提升综合国力和国际影响力的目的。 1 -2 国内外 CNC 以及应用于 CNC 的在线检测技术的发展概况 我国数控机床的研究开始于二十世纪七十年，至今已经有四十多年的发展历史，我国发展的数控机 床可以分为三大类，分别是经济型卧式数控机床（平床身卧式 数控机床）、普及型数控机床（斜床身数 控卧式机床和数控立式机床），三轴以上控制数控机床。其中经济型卧式数控机床占机床产量的百分之 九十，大多使用平床身结构和立轴四工位方刀架。普及型数控机床和中高档的数控机床
19、只占机床产量的约百分之十。 2 国外数控机床的发展领先我国很多年，拥有更高的加工精度和更短的制造周期。已经实现的功能包 括机床的多功能应用和多工序集成应用，多用途的复合加工机床，如增添铣削功能的复合加工车削中心、 双主轴多刀塔 (双刀塔或四刀塔 )数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行 加工车削中心、 五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、锉、磨和激光热处理多种功能的高度复合化 的复合加工中心等等。 为了提高数控机床加工中的检测水准，在线检测技术是近几年的重点发展技术。目前主要应用广泛 的检测技术有在线触发式检测技术，在线视诊检测技术等。其中触发式检测技术成本低，可靠
20、性高，测 量精度高，是最为广泛使用的在线检测技术。和传统检测手段相比，在线检测技术成功解决了因夹装、 多次定位而导致检测精度低的缺陷，整个检测过程由数控机床完全安装预先设定要的检测程序独立控制 完成 ，是一种基于计算机自动控制技术的自动化在线检测技术。随着我国制造业水平的不断提高，数控 1 基于 Zigbee 技术的 CCD 集成视诊系统无线通信方案的设计 机床在工业生产中的不断广泛应用，在线检测技术具有广阔的发展空间。 3 1 -3 无线传感器网络技术的发展与现状 无线传感网络 (WSN， wirelesssensornetworks)结合了新学科与传统学科两方面领域的最新技术成 果，在信息
21、科学技术领域具有前所未有的发展前景。无线传感器网络的发展经过了三个阶段，第一个阶 段是 智能传感器，它是将传感器与计算机相结合，使其具有计算机的运算能力和数据采集能力。第二个 阶段是无线智能传感器，它使得智能传感器获得了无线通信能力，扩大的传感器的传输距离，并且降低 了传感器的安装难度和安装成本。最后一个阶段是无线传感器网络阶段，它将前面提到的无线智能传感 器用网络的形式连接在一起，使得无线智能传感器之间能够进行信息交换，成为一个有机的整体，最终 目标是能够实现物件之间的信息互联，无线传感器网络必将在未来的生活、学习、军事等各个领域得到广泛的应用和发展。 678 1 -4 ZigBee 技术的
22、优势 对于布局复杂的工业生产现场，采用基于无线传感器的数据传输平台藉由无线射频进行数据传输， 摒弃了电缆的束缚，可以降低网络布线的成本和增强监测系统的灵活性和可扩充性。在工业现场中存在 各种各样的电磁信号干扰，所以无线传感器之间的无线通信必须具有强大的抗干扰能力。 ZigBee 技术 就是为了满足工业自动化控制现场的这种对低数据量，高可靠性的无线数据通信的需求需要应运而生 的。 ZigBee 技术是一种基于 IEEE802.15.4 的短距离无线通信技术，可以作为无线传 感器网络的通信协 议，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。经过网络内的无线传感器之间的数据传输，短短 几十米的通信距
23、离可以近乎无线放大扩展，大大提升了通信范围。 表 1.1 近距离无线通信技术标准比较 6 Table1.1 Comparison of wireless communication technology standard 芯片组 Zigbee 蓝牙 UWB 超宽带 Wi-Fi 价格 (美元 ) 4 5 20 25 传输速度 (bps) 10K-250K 1M 53.3-480M 54M 安全性 中等 高 高 低 通信距离 10m-75m 0-10m 0-10m 0-100m 频段 (Hz) 2.4G/866M/915M 2.4G 3.1G-10.6G 2.4G 国际标准 IEEE802.15.
24、4 IEEE802.15.1x 尚未制订 IEEE802.11b IEEE802.11g 2 河北工业大学工程硕士学位论文 表 1.1 列出了 ZigBee 同其它主流无线网络技术在各方面的比较，与现有的各种无线通信技术相比，采用 ZigBee 协议在技术上和成本上具有明显的发展优势。 8 经济的传输速度：本着够用就好的原则， ZigBee 传输速度在 250Kbps，可以满足它设计用于安防等 控制领域，过高的速率设计会带来硬件成本和电源成本的浪费；因为 ZigBee 数据传输速率低，功耗低， 最大发射电流比一个 CDMA 手机还要小许多，在低功耗待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6
25、个月 到 2 年，飞思卡尔最新平台更宣称可以做到待机 20 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦，这也是 ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 设备投入低：从硬件成本来讲，技术的发展使得 ZigBee 朝一体化发展，自带 CPU 和无线收发器，成本在有望控制在 3 美元左右。目前得到广泛使用的的通过手机网络通信的终端设备，单个售价往往高达几百甚至上千元，使用 Zigbee 无线通信终端，每个节点的费用只需几十到几百元，比目前主流网络终端的成本要低上很多。而且软件开发周期 短，投入时间少，不需要缴纳专利使用费，频段是目前国际通用的 2.4GHz，所以在成本上 Zigbee 无线传感器
26、网络具有很强的优势。 通信可靠性高： Zigbee 无线通信模块具有高度的集成新，相比其他元件复杂的网络终端可靠性更高； Zigbee 协议采用的是一种直序扩频技术，相比传统的通信技术具有更低的误码率，更高的抗干扰能力，范围更广的通信距离。 高度的灵活性：高度的集成度使得 Zigbee 无线通信模块具有非常小的体积，便于在各种工况条件下的安装、调试和使用，即使是户外的恶劣环境，数据通信也能得到有效 的保障。 Zigbee 无线传感器网络是一个可扩展的拓扑网络，传输距离和范围具有非常大的可拓展性，而且它可以很方便的与现在主流的手机移动网络等其他网络进行联通，使得整个检测网络成为一个有机的整体。
27、1 -5 课题背景与论文主要研究内容 1-5-1 课题的背景及研究意义 我国 CNC 在线检测技术开始于二十世纪末，主要检测方式是利用光学、光电等技术对工件进行检测。 虽然 CNC 在线检测技术起步晚，但随着光机电一体化仪器和装置及计算机技术、自动化控制技术等相关 理论技术的发展，我国在线检测 技术也得到了长足的发展和进步。 目前我国是工业大国，已拥有超过三百万台加工机床，其中大部分是老式机床，精度和效率都非常 低，在大型工业生产中无法提高产品质量和劳动生产效率，对这些过时的老式机床进行装备更新和改造 是十分必要的，因此在这些老式机床设备上安装在线检测设备，使用在线检测技术可以提高产品质量， 增加劳动生产率。 传统的在线检测技术大多采用有线连接，使用电缆线材进行信号传输，具有很大的缺陷和不足。在 复杂的生产条件和恶劣的外部环境中，例如煤矿和钢铁厂的大型旋转设备，电厂的大型发电机组，野外 的无线电基站，这些条件下都不适合使用有线传输方式，具体原因在于以下几点： 1、大量传感器的使用往往要考虑连接线材的重量和成本因素； 3
