基于ZigBee技術的無線環高測量儀系統

張 藝，廖俊必

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

1 引 言

繼計算機、互聯網、移動通信網之后，傳感器網絡成為信息產業新一輪競爭制高點的事實已不容置疑。更讓人興奮的是，作為一個新興技術，我國的無線傳感網已經呈現出蓬勃發展之勢，與國際相比極具同發優勢。今年8月，國務院總理溫家寶在江蘇無錫調研時，指出“在傳感網發展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術”，“在國家重大科技專項中，加快推進傳感網發展”。無線傳感網技術正以其智能化、低功耗、自組織和無線通信等特性滲透到節能、電力、物流、工業自動化等眾多行業，可應用領域非常巨大。

ZigBee無線網絡是基于IEEE802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議的數據傳輸網絡，工作于ISM頻段，采用的ZigBee協議棧緊湊簡單，實現要求低。ZigBee無線網絡作為一種新興的短距離無線網絡技術，具有低速率、低功耗、低成本的特點，能夠實現快速組網、自動配置和自我維護、路由修復等功能，非常適用于組建距離短、數據交換量不大、網絡節點多的無線傳感器網絡。同時，每個ZigBee網絡節點不僅可以直接與監控對象進行數據采集和監控，還可以承擔起路由功能，與多個孤立的終端節點建立無線連接。ZigBee技術以其在自動化控制數據傳輸方面的表現，在2004年被列為當今世界發展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之一[1]。

現有的環高測量儀通過對多種傳感器的輸出信號采集處理來實現活塞環的系數測量，存在布線復雜、機動性差、難以實現組網性能等問題。該文將基于ZigBee技術的無線傳感器網絡應用于環高測量儀系統，完成了從有線到無線的過渡，以提高系統的靈活性和組網性；設計的基于LabVIEW平臺的上位機監控軟件可以實現對環高測量儀的網絡拓撲結構以及活塞環參數的實時監控。

2 無線環高測量儀系統設計

該無線環高測量儀系統組成結構如圖1和圖2所示，主要由8031單片機控制的環高測量儀、基于ZigBee芯片CC2430的無線網絡、基于LabVIEW串口通信的上位計算機監控系統三大部分組成。上位計算機監控系統中，CC2430模塊被設定為網關節點，向上通過串口與LabVIEW監測軟件交互通信完成命令傳達與數據傳輸；向下作為協調器進行無線傳感器網絡的組網和管理，收集網絡節點信息以及傳感器信息。測量終端系統中，CC2430模塊作為子節點加入由網關節點組織的無線網絡，以無線方式向網關節點發送本身的網絡信息，以及通過串口采集到的由8031單片機輸出的傳感器信息[2]。

圖1 上位計算機監控系統

圖2 測量終端系統

該系統采用的ZigBee芯片CC2430是基于8051系列的系統芯片，結合了高性能的射頻、增強性能MCU以及芯片可編程閃存，還具備直接存儲器定址功能（可用于減輕8051微控制器內核對數據的搬移）、多達8輸入的8～14位ADC、兩個可編程USART（可用于主/從SPI或UART操作）、可編程看門狗定時器、睡眠模式定時、上電復位、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳等。

CC2430芯片的工作頻帶范圍為2.400～2.4835GHz，工作電壓范圍為2.0～3.6 V，接收和發送模式下的電流損耗分別低于27 mA或25 mA，數據速率達250 kb/s，碎片速率達2 Mchip/s，接收靈敏度為-94dBm，抗鄰頻道干擾能力為39dB，采用0-QPSK調制方式，以其休眠模式和短時間的轉換到主動模式的特性成為那些要求電池壽命非常長的應用的理想解決方案[1]。由于它的外圍電路少、強大和靈活的開發工具，特別是支持編程的USART，非常適用于環高測量儀的無線擴展。

3 系統的軟件設計

該設計中，由8031單片機控制的環高測量儀采用匯編語言編程，使得對硬件直接控制能力更強，執行速度更快[3]；CC2430模塊采用ZigBee協議棧，具有結構緊湊、編程簡單等優點。考慮到CC2430芯片雖然集成了增強性能的8051MCU和存儲器，但是能力和容量有限，該模塊的計算能力十分有限，因而要求終端節點的計算機完成基本數據處理工作。實驗中，采用ZigBee2006協議棧和匯編語言混合編程的思想[4]，ZigBee協議棧編寫軟件的調度程序，環高測量儀對數據處理、串口輸出等部分編寫成子程序模塊以供調用，做到了兼顧執行效率高和靈活的特點，實現最優的程序質量。

3.1 上層模塊軟件設計

上層模塊的基本編程思路是：首先，網關節點選擇一個信道和一個網絡ID用于啟動整個網絡，然后等待路由器和終端設備的加入。當有設備申請加入該網絡時，網關節點將為子設備預先分配一個64位的IEEE地址，加入網絡成功以后該子設備將被分配一個與IEEE地址匹配的16位的網絡地址，且該16位地址在網絡中是唯一的。

網絡建立成功以后，打開LabVIEW 8.5監控界面的串口開關，監測串口是否存在網關。如果有網關，則發送命令請求網關傳送網絡的基本信息（節點的IEEE地址、網絡地址）；然后解析網關傳來的網絡節點信息并存儲，同時顯示網絡的拓撲結構以及節點的地址；選定節點，發送傳感器數據收集命令；對收到的數據進行解析并顯示在相應的節點信息圖上。

3.2 下層模塊軟件設計

下層模塊的基本編程思路是：子節點請求加入網絡，加入成功后得到網絡分配給自己的網絡地址，向網關節點發送自己的基本信息；子節點收到傳感器數據上報命令時，首先檢查地址，如果地址不符則丟棄，如果地址符合則調用讀取數據子程序。然后將數據通過無線方式發送給網關節點，重新進入等待狀態。

3.3 通信機制

組網功能實現中，網關節點在ZigBee網絡中充當協調器，負責整個網絡的建立和管理，設定網絡類型；普通傳感器節點作為路由器，與測量儀連接的傳感器節點被設計成終端設備。節點的設備類型參數設置如下：

表1 Cluster命令對應表

4 監控軟件

該監控軟件是在虛擬儀器開發平臺LabVIEW 8.5環境下開發的，采用模塊化編程思想，提供清晰的圖形化操作界面[5]。

監控軟件功能的實現是通過串口與網關節點交互通信。監控軟件向網關節點發出命令WNⅠ，網關節點通過串口收到該命令后，通過串口向上位機監控軟件回復網絡中節點的設備屬性、地址等信息。監控軟件向網關節點發出命令WA，網關節點通過串口收到后，以無線方式向普通傳感器節點發出傳感器信息收集命令（Zg_SensorReq_ClusterID）；普通傳感器節點接收到信息收集命令后，解析其中的網絡地址，若地址匹配，則調用環高測量儀的8031微控制器進行傳感器數據的采集、處理和傳輸；子節點將傳感器信息以無線方式回復給網關節點，回復命令為Zg_SensorReqReq_ClusterID。網關節點接收到普通傳感器節點通過無線傳來的數據，通過串口中轉給監控軟件，命令為WAA；監控軟件將信息提取并顯示。

節取串口通訊程序段，以說明WAA命令的使用方法：

在監控界面的控制臺，設定了網絡信息、傳感器數值傳送、命令準備狀態三種操作命令。選擇“網絡信息”命令，將實時顯示網絡拓撲結構以及各個節點的IEEE地址、16位的唯一網絡地址，并將節點的地址信息存儲至節點具體信息的節點地址庫；選擇“傳感器數值傳送”命令，在節點網絡地址中輸入想要得到信息的終端節點地址，點擊“發送命令”按鈕，在前面板的傳感器數值圖中，將顯示網關節點、路由節點以及終端節點的運行狀態，同時終端節點傳送來的傳感器測量數據，以及各個節點自身的電源電壓值、溫度值、光強值信息也將以動態圖形方式顯示出來。在前面板的傳感器數值表格中同步記錄了各個節點的所有傳感器信息[6-7]。監控軟件如圖3和圖4所示。

圖3 基于LabVIEW的監控軟件主界面

圖4 節點電壓、溫度信息

5 結束語

基于ZigBee網絡技術的無線環高測量儀系統不但實現了對活塞環參數的在線檢測、實時監控，同時解決了現場布線復雜的問題，提高了系統的靈活性和組網性。但是，無線傳感器網絡還存在著諸如數據傳輸丟失、節點的數據處理能力不強、監控系統易受到工作環境干擾等問題，隨著無線傳感器網絡研究的不斷深入，這些問題將逐步得到解決和改善。無線傳感器網絡的應用前景勢必將越來越廣闊。

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 薛鈞義，張彥斌.MCS-5196系列單片微型計算機及應用[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[3]蔣大文，楊大磊，于 鵬.新型活塞環綜合測量儀系統軟件的設計[J].機械與電子，2004（12）：31-33.

[4] 杜樹春.單片機C語言和匯編語言混合編程實例詳解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]楊樂平，李海濤，楊 磊.LabVIEW程序設計與應用[M].2版.北京：電子工業出版社，2005.

[6] 王慶東，陳江洪，湯雪華，等.基于ZigBee技術的空調溫度無線監測系統 [J].上海電機學院學報，2008，11（3）：239-242.

[7]林少鋒，何 一.基于CC2420的ZigBee無線網絡節點設計[J].電子設計工程，2009，17（3）：66-68.

[8]徐愛鈞.IAR EWARM嵌入式系統編程與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[9] 李光飛，樓然苗.單片機C程序設計實例指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[10]UlemaM.Wirelesssensornetworks：architectures，protocols，and management [J].IEEE/IFIP Network Operation and Management Symposium，2004，3（1）：21-23.

[11]Liu Y，Wang C，Qiao X，et al.An improved design of ZigBee wireless sensor network[C]∥2ndIEEE International Conference on Computer Science and Information Technology，2009，8（11）：515-518.