基于Zigbee的船舶狀態監控系統的設計與實現

竇文博，王衛東

（江蘇科技大學 計 算機科學與工程學院，江蘇 鎮 江212003）

船舶狀態監控系統是現代船舶自動化的一個重要標志，可分為機艙內監控和機艙外監控。機艙內船舶主要機械設備的工作狀態以及機艙外船舶的運行環境是否正常，直接關系著整個船舶能否正常運行，因而對船舶相關機械設備和環境的重要參數（溫度，壓力，氣體濃度等）進行實時監控具有重要意義。目前的船舶監控模式基本為有線式的集中監控，而利用無線傳感網絡節點來替代傳統的有線的傳感網絡節點進行相關的監測和控制工作，能夠有效的解決由于船舶空間的復雜性造成的布線困難、不易維護等技術難點，此外還降低了施工人員的工作強度以及工程成本[1]。因此，利用Zigbee無線技術進行監控，相比與有線監控技術具有許多技術優勢。

1 Zigbee技術簡介

Zigbee是一種新興的基于 IEEE802.15.4無線標準開發的近距離、低復雜度、低成本、低功耗、自組織的無線組網通信技術，以 2.4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術[2]。每個具有完整功能的Zigbee節點有兩種功能：與監控對象（如傳感器節點）直接進行連接，來完成數據的采集和監控任務；此外還有簡單的路由中轉功能，在自己信號覆蓋的范圍內，與網絡中其它的承擔中轉任務的多個節點進行無線連接。由于其架構簡單，再加上節點體積小，且能自動組網，因此網絡布局十分簡單方便；再加上大量的節點能進行群體協作，網絡本身具有很強的自愈能力，任何一個節點的損壞都不會對整體任務的完成造成致命性的影響，非常適合用來組建無線傳感網絡[3]。由于這些特點，Zigbee技術在將來的工業控制、家庭自動化、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫用設備等領域發揮的作用會越來越突出[4]。

Zigbee協議標準采用分層結構，每一層為其上層提供特定服務：數據服務實體和管理實體分別提供數據傳輸服務和其他管理服務。?協議棧中的每一層都通過服務訪問點（SAP）向上層提供相應的服務，每個SAP通過服務原語來實現對應的功能。Zigbee聯盟在IEEE802.15.4標準定義的物理層（PHY）和媒體訪問控制層 （MAC）的基礎上定義了網絡層（NWK）、應用層（APL）以及安全服務規范。應用層由應用框架（AF）、應用支持子層（APS）、Zigbee 設備對象（ZDO） 以及用戶自定義的應用對象組成[5]。用戶可以在這個標準的基礎上開發所需的應用。

2 系統總體架構設計

系統主要由Zigbee終端設備節點（傳感器節點）、路由設備節點、協調器節點和上位機監控系統組成，整體結構圖如圖1所示。基于Zigbee的船舶狀態監控系統的主要功能就是將船舶的傳感信息參數數據采集至Zigbee終端設備節點，終端設備節點通過無線網絡把采集到的數據傳輸到Zigbee路由器節點，路由器節點主要承擔數據接力功能，然后路由器節點將轉發過來的數據通過無線網絡傳輸到Zigbee協調器節點，最后協調器節點利用串行接口把數據傳送至上位機監控系統。

上位機系統部分是本系統的人機交互界面，主要負責數據的分析和顯示；協調器負責整個網絡的建立與管理，通過串口把終端設備采集到的數據傳送到上位機；路由器主要負責數據的轉發，從而擴大網絡的覆蓋發范圍；終端設備節點主要負責現場數據的收集，并把數據傳到路由器或協調器。協調器能與多個終端設備進行直接通信，路由器節點主要是起到多跳路由作用。由于船舶機艙環境復雜，無線信號極容易受到障礙物的阻擋，因此這就要求無線通信能實現多跳功能。所謂多跳無線通信就是指利用全功能節點的路由轉發功能，將數據通過轉發從而達到要求的傳輸距離或避開障礙物。Zigbee協議棧存在路由功能，只需在節點載入協議棧的路由程序，采用樹形或網狀的網絡拓撲結構就可實現多跳的無線通信。本文的設計重點是介紹Zigbee無線傳感網絡在船舶上的具體實現，因此將不討論上位機的用戶界面的具體設計。

3 系統硬件設計

本設計的硬件核心部分為TI公司生產的CC2530芯片。CC2530能以很低的材料成本以及很簡單的外部電路設計建立起非常強大的無線傳感網絡節點，而且還不用考慮射頻電路的設計，它集成了一個高性能的RF（射頻天線）收發器、一枚業界標準的增強型8501微控制器內核（MCU）以及有8K的RAM,支持四種不同版本的Flash存儲器（32/64/128/256KB）擁有強大的五通道DMA，CSMA/CA硬件支持，AES加密安全協處理器，兩個通用同步串口，支持多種串行通信協議[6]。協調器在整個網絡中處理的數據最多，職責最重，因此協調器選擇使用存儲器是256K的CC2530芯片。由于CC2530有多種不同的運作模式和真正的片上系統 （Soc）解決方案，使得很適合用在低功耗的系統中，而且不需要國語復雜的外圍電路。

3.1 協調器節點和路由器節點硬件設計

協調器與路由器的硬件模塊基本相同，最大的不同就是路由節點沒有串口電路，以下只介紹協調器的硬件設計。協調器節點是由CC2530芯片與串口模塊組成，本設計的串口模塊選用的是MAX3232芯片來完成RS232串口數據的電平轉換。此外協調器節點還包括電源模塊、射頻天線（RF）模塊以及晶振電路等模塊。電源模塊用于為協調器節點的其它功能模塊供電，保證節點的正常運行，供電電壓為2．0～3．6 V之間。RF模塊主要用于數據的無線收發和傳送。晶振模塊是兩個不同頻率的晶振，分別用于無線收發數據和休眠狀態。協調器節點硬件的結構框圖如圖2所示。

圖2 協調器節點結構框圖Fig．2 Structure diagram of the coordinator node

3.2 終端設備節點硬件設計

在監控系統中，分布最廣數量最多的就是終端設備節點，主要負責對船艙重要數據的收集與傳送。終端設備節點由處理器模塊（CC2530）、電源模塊、射頻天線（RF）模塊、晶振電路模塊以及傳感器單元等模塊組成。傳感器單元模塊主要是一些溫度，濕度，氣體濃度，壓力等傳感器。另外為保證終端節點設備的靈活性，電源的供電方式一般采用兩節電池供電，因為CC2530的工作電壓在 2～3．6 V，而兩節電池的電壓一般在3 V左右，因此完全能滿足其工作電壓。不過對于部分對工作電壓要求高的傳感器，電池電壓達不到其工作的最低標準時，可以使用外部直流電源為其供電。終端設備節點硬件的結構框圖如圖3所示。

圖3 終端設備節點結構框圖Fig．3 Structure diagram of the terminal device node

4 系統軟件設計

硬件的設計的只是完成了協議棧中物理層的一些功能，而物理層以上的功能單獨依靠硬件則是不能實現的，它還需要軟件的驅動才能實現。本系統軟件使用IAR Embedded Workbench作為開發平臺，并在Z-Stack協議棧的基礎上進行應用軟件的開發。Z-Stack是TI公司的基于Zigbee標準的協議棧，包含了Zigbee標準描述的各層功能組件模塊，向開發人員提供了一系列的API接口，通過調用這些接口來實現不同的功能。整個應用程序運行時可以自動形成一個網絡，終端設備節點能夠主動發現路由節點或協調器節點（上級節點），并且一旦加入網路，能夠自動建立綁定。

4.1 組網及協調器節點程序設計

Zigbee網絡的建立和維護不論多復雜，都從建立網絡開始。當協調器啟動以后，此時協調器會在應用指定一個的網絡信道范圍內進行能量掃描，通過監聽獲得各個信道上的能量值，并把能量值進行排序，列出信道上的干擾值，拋棄超過最大允許的能量值的信道，在已存在網絡最少的信道上建立網絡，若信道上的存在網絡數一樣，則在沖突和干擾最少的信道上建立網絡。當選定網絡信道以后，會進行一系列的參數設置，包括網絡地址、PAN標識以及擴展PAN標識等。當這些參數都設置好后，網絡就基本建立起來了，只等待其它節點的加入。

組建一個Zigbee網絡主要由Zigbee協議棧的網絡層實現[7]，協調器節點工作的軟件部分包括初始化并組建網絡、允許子節點加入網絡以及傳輸數據三大部分構成。在協調器節點啟動后，Zigbee協議棧會按照上節所介紹的組網流程去組建一個Zigbee網絡，首先在系統初始化之后，掃描并選擇合適的信道后對網絡參數進行設置，并最后確定網絡是否組建成功，如沒有組建成功，則協調器節點重新執行上面的步驟，直至網絡成功組建。組網成功以后還不算真正的Zigbee傳感網絡，協調器還需要監測是否有入網請求并允許有請求的子節點加入網絡，并成功分配給自己點相應的網絡地址后，才算組網成功，這只是協調器的部分任務。

上面的組網階段完成以后，協調器在正常工作的過程中，不斷的檢測有無數據傳送。其實，當協調器檢測到有數據的傳送時，程序會自動進入中斷接收狀態，在此過程中，數據會被暫時存放在指定的區域，其它外部程序以指針的形式調用這些數據。隨后，協調器會判斷數據的來源，若是上位機通過串口發來的數據，則認為是命令，之后對命令會進行相應的處理；若是傳感數據，則又會啟動相應的數據處理程序，并更新存儲區內的數據，之后通過串口傳送至上位機進行進一步的處理。圖4所示是其程序流程圖。

路由節點程序除了一些配置和協調器節點不同之外，其它基本一致。

4.2 終端設備節點程序設計

終端設備節點要將收集到的溫度信息送到路由器或協調器，終端設備節點首先要加入網絡，與此同時，該節點還要將自己綁定到第一個響應的協調器節點或路由節點。終端設備節點通過函數ZDO_StartDevice()自發的加入網絡，并通過函數zb_BindDevice()發出綁定請求，綁定成功后終端設備節點程序循環調用SendData()函數周期性的發送采集到的溫度信息，采取端到端確認的發送模式。函數zb_SendDataConfirm()可以作為指示應答，如果協調器節點或路由節點沒有指示應答，終端設備節點會自動解除本次綁定，重新尋找網絡并進行綁定。圖5所示為其程序流程圖。

圖4 協調器節點軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the coordinator node

圖5 終端節點軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the terminal device node

5 系統測試

5.1 通信測試

用IAR把相應的程序分別下載到各節點。通過串口接入電腦，在對串口進行相應設置后，程序運行時，便可在PC機的終端中查看到經過處理后的的溫度數據信息 （為方便測試，終端設備節點只進行溫度的采集）。利用串口調試助手接收到的溫度數據如圖6所示。在此過程中，用標準溫度計對同一空間進行溫度測量，測量結果顯示和本實驗結果只有極小誤差，可以滿足大部分測量需求。同時進行了通信距離測試，在沒有路由節點的情況下進行點對點的測試，測試環境為實驗室樓并有墻壁阻擋，測試結果如表1所示。數據表明，無線網絡完全可以覆蓋大部分中小型船舶機艙環境。如果需要還可以添加功放芯片CC2591，經測試，傳播距離會成倍數增加。

5.2 功耗測試

圖6 溫度測試結果Fig.6 The results of temperature test

表1 通信距離測試結果（無路由節點）Tab.1 The results of communication distance test（No route node）

溫度傳感節點的功耗問題直接影響了系統的壽命，在傳感節點每發送一次數據后就進入休眠狀態，在完成一次數據的采集和發送后，傳感節點會自動進入休眠低功耗狀態；在休眠狀態結束時，傳感節點就會重新進入到工作過程，可有效降低功耗。溫度傳感節點采用兩節5號電池供能，休眠狀態下電流為0.4 μA，工作狀態下電流為24.3 mA。經測試，兩節5號電池的正常工作時間在6個月左右，完全符合低功耗的性能需求。

6 結束語

根據船舶內部的實際情況，以片上系統CC2530芯片為核心設計了一個完整的Zigbee無線船舶狀態監控網絡。它能有效解決有線監控網絡布線難、擴展性差等問題，并具有可靠性強，組網靈活性高以及自愈能力強等特點，基本能滿足對中小型船舶機艙一些重要設備、環境參數的無線監控。

[1]張米雅,姚建飛.Zigbee技術在船舶機艙監控系統中的應用[J].船舶工程,2010,32(2):100-102.ZHANG Mi-ya,YAO Jian-fei.Application of ZigBee in monitoring system of marine engine room[J].Ship Engineering,2010,32(2):100-102.

[2]Wheeler A.Commercial applications of wireless sensor networks using Zigbee [J].IEEE Communications Magazine,2007,45(4):70-77.

[3]高守瑋,吳燦陽.Zigbee技術實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[4]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.

[5]虞志飛,鄔家煒.ZigBee技術及其安全性研究[J].計算機技術與發展,2008,18(8):144-145.YU Zhi-fei,WU Jia-wei.Research of Zigbee technology and its security[J].Computer Technology and Development,18(8):144-145.

[6]Texas Instruments.CC2530:A True System-on-Chip solution for 2.4GHZ IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL].[2010-10-05].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[7]楊誠,聶章龍.ZigBee網絡層協議的分析與設計[J].計算機應用與軟件,2009(12):219-221.YANG Cheng,NIE Zhang-long.Analysing and designing Zigbee network layers protocol[J].Computer Application and Sofeware,2009(12):219-221.