基于ZigBee 技術(shù)的裝備狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

劉朋朋

（中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程大學(xué)士官職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，山東青州262500）

0 引言

在軍事領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，各種新型武器裝備不斷涌現(xiàn)，裝備自動(dòng)化程度越來(lái)越高，但是很多武器裝備由于使用環(huán)境惡劣，隨著時(shí)間的延續(xù)，裝備的性能，例如裝備中的液壓系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，但是這些問(wèn)題并不是能夠用肉眼直接看到的。 如何對(duì)這些系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而確保裝備能夠保持正常，成為了一個(gè)非常重要的課題。

ZigBee 技術(shù)是近年來(lái)新興發(fā)展的一種先進(jìn)技術(shù)， 具有使用方便、抗干擾性強(qiáng)、保密性好、誤碼率低、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。 隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，尤其是ARM 微處理器的快速發(fā)展，高端ARM 微處理器應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，從而大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信能力、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)能力。 本文基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，即利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)測(cè)量裝備液壓系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，包括各電磁閥的電壓、油液的溫度、壓力與流量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)力等參數(shù)，還可測(cè)量周?chē)ぷ鳝h(huán)境的溫濕度、風(fēng)速等參數(shù)，從而作為數(shù)據(jù)處理的依據(jù)。 無(wú)線傳感器收發(fā)模塊采用支持ZigBee 協(xié)議的CC2430 模塊，主機(jī)利用ARM S3C2410 模塊作為核心處理器，并對(duì)所測(cè)得的多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該系統(tǒng)可在裝備的各個(gè)重要位置散置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，功耗低，無(wú)需人員看守，在不影響裝備正常工作的情況下，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，立即進(jìn)行報(bào)警，并快速將其定位，并人工排除故障，從而大大提高了裝備工作的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 對(duì)于各個(gè)裝備的液壓系統(tǒng)，利用多個(gè)無(wú)線傳感器分別對(duì)系統(tǒng)的電磁閥工作的電壓、 油液的溫度、壓力、 流量等進(jìn)行檢測(cè)， 將所測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線傳感器收發(fā)模塊CC2430， 由它將信號(hào)發(fā)送到ARM 主機(jī)S3C2410 模塊，CC2430 與S3C2410 是通過(guò)SPI 連接的，其中S3C2410 處于主模式，CC2430 處于從模式。主機(jī)將數(shù)據(jù)處理后，如果有故障點(diǎn)，則將其傳送至故障顯示模塊，將故障點(diǎn)顯示出來(lái)，進(jìn)行報(bào)警提醒；如若正常，則不需要。最后將數(shù)據(jù)全部傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中用到的電壓、溫度、壓力與流量傳感器均采用貼片式的，不需要介入系統(tǒng)即可工作。 每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)處理電路，與無(wú)線傳感器收發(fā)模塊CC2430 共同構(gòu)成一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)，分別分配有不同的地址。 各節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ARM 主機(jī)S3C2410 通信，然后判斷各個(gè)數(shù)據(jù)是否正常，如果不正常，通過(guò)尋找地址即可對(duì)該節(jié)點(diǎn)定位。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)USB 總線與上位機(jī)及外部進(jìn)行通訊聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，以降低電池?fù)p耗，延長(zhǎng)電池使用壽命。

2 系統(tǒng)各部分組成

2.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收發(fā)送模塊

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位， 是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型主要有三種：Star 星型、Mesh 網(wǎng)型與Cluster Tree 樹(shù)型。 本文采用Cluster Tree 樹(shù)型，網(wǎng)絡(luò)中具有每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)必須有的協(xié)調(diào)者、 用來(lái)路由信息的路由器以及終端結(jié)點(diǎn)，其中終端結(jié)點(diǎn)的功耗較低，從而使整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗。

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能耗等方面的考慮，本系統(tǒng)中采用芯片CC2430，該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：其休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間特別短，休眠模式下流耗只有0.9μA，待機(jī)模式下流耗不大于0.6μA，適合要求電池工作時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)；低功耗高性能的8051 微處理器；具有符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)的，頻率為2.4GHz，無(wú)線接收靈敏度高，并且抗干擾性強(qiáng)。

系統(tǒng)中所用無(wú)線接收發(fā)送模塊電路中通過(guò)非平衡天線連接非平衡變壓器，從而使天線性能更好，該變壓器由電感、電容以及PCB 微波傳輸線構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)符合RF 輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。 電壓調(diào)節(jié)器為所有1.8V 電壓的引腳和內(nèi)部電源供電， 其中的去耦合電容用于進(jìn)行電源濾波以提高芯片工作的抗干擾性。 共有兩個(gè)晶振電路，頻率分別為32.768kHz 與32MHz。

2.2 ARM S3C2410 模塊

在本無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，信息處理量大，所以系統(tǒng)采用了三星公司的S3C2410 芯片作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心處理器， 它是一款基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器，主要應(yīng)用于低功耗、高性價(jià)比及便攜式的設(shè)備，信息處理能力強(qiáng)，可以輕松運(yùn)行Linux、WinCE 等操作系統(tǒng)，進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。 處理器通過(guò)SPI 接口與CC2430 交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。

系統(tǒng)的流程是這樣的： 在系統(tǒng)開(kāi)始后首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，電源模塊開(kāi)始供電，然后主機(jī)查詢是否需要開(kāi)始測(cè)試各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果需要?jiǎng)t喚醒各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，去除冗余的數(shù)據(jù)，將有用的數(shù)據(jù)打包、壓縮選擇通道，通過(guò)CC2430 發(fā)送到ARM 主機(jī)S3C2410，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，依據(jù)裝備的正常狀態(tài)信息表，判斷出有異常的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)其余幾個(gè)相似節(jié)點(diǎn)，判斷是否真正出現(xiàn)故障，如果發(fā)生故障，則進(jìn)行報(bào)警，并定位，最后將各個(gè)正確和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)通過(guò)USB 總線傳送到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便以后的查詢。待系統(tǒng)檢測(cè)各項(xiàng)正常后，即可停止工作，網(wǎng)絡(luò)即進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)約能量，直至下次工作喚醒為止。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于先進(jìn)的ZigBee 技術(shù)， 設(shè)計(jì)了一種針對(duì)武器裝備液壓系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，均采用非介入式的方法實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，以判斷系統(tǒng)是否存在故障點(diǎn)，如果存在則立即進(jìn)行定位排除。 這種系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域與民用領(lǐng)域也具有很好的推廣前景。

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［2］黃文龍,徐道連,游穎敏,等.基于ZigBee 和ARM 的嵌入式智能家庭安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,2，23(2):152-156.

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