選煤廠ZigBee無線傳感器的設計

楊 碩, 蔡先鋒

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

選煤廠ZigBee無線傳感器的設計

楊 碩1,2, 蔡先鋒1,2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

基于SOC芯片CC2530硬件平臺，提出選煤廠ZigBee無線傳感器的設計方案。系統闡述了射頻收發電路的設計原理，針對固定節點的應用提出節能處理方案，并依據定位算法實現對移動節點的位置追蹤。隨機重復試驗測量數據表明：ZigBee無線傳感器信號質量高、功耗低、定位準確，能夠滿足選煤廠智能監控系統的要求。

ZigBee無線傳感器；固定節點；移動節點；定位算法

現代化選煤廠是一個基于多方位因素、多操作環節的動態、復雜工程系統[1]。在選煤廠智能監控系統設計中，傳感器作為工業現場前端數據采集單元，是檢測系統各種環境參數、設備運行參數及生產情況的關鍵環節。

由于傳統工業網絡存在布線繁瑣、拓展性能差、信號保護性弱等制約因素，在對復雜工藝的設備性能和高危作業環境的監控中，傳統技術手段難以得到有效應用。為此，基于SOC芯片CC2530硬件平臺，提出ZigBee無線傳感器的設計方案，通過無線鏈路和靈活拓撲結構，自動采集數據并加以分析處理[2]，為選煤廠工控系統無線監測體系提供可實現方案。

1 射頻收發單元設計方案

1.1 ZigBee 無線傳感器的硬件基礎

設計中以兼容ZigBee2007協議的SOC芯片CC2530為硬件基礎，多容量選擇的Flash閃存特點，使CC2530具有在線編程和非易失性存儲器功能。單周期訪問SFR、DATA及主SRAM的模式，完成中斷方式下主動與空閑模式的切換，睡眠與喚醒方式的設計，實現了無線傳感器的節能化處理[3]。

1.2 天線的選型

天線是無線通訊的主要部件，用于輻射、接受電磁波。選煤廠結構空間有限，設備排列密集，如何延長通信距離和保證射頻通路指標質量及降低系統功耗成為天線電路選型的關鍵。通過分析輻射方向圖、增益、帶寬、極化、輸入阻抗、駐波系數等參數，結合ZigBee無線傳感器的特性，決定采用全面輻射方向的倒F天線[4]。

1.3 射頻收發單元的設計

基于IEEE802.15.4協議標準的CC2530，工作范圍在2.4～2 483.6 MHz的2.4G射頻收發單元[5]，先進的RF收發器，增強型的8051單片機，可通過點與點之間快速、穩定的通信，實現ZigBee工業網絡的組態。射頻單元電路結構示意圖如圖1所示。

圖1 射頻單元電路結構示意圖

通過芯片引腳22、23和32、33分別連接32 MHz和32.768 kHz石英晶振及兩個電容構成的模塊單元晶振電路，為射頻單元提供精準系統時鐘。芯片內引腳RF_P和RF_N是一對差分輸入/輸出信號引腳，由于設計中采用全面輻射方向的倒F天線，故借助分立電容和電感元件構成巴倫匹配電路，對收發信號進行調整。圖1中L2、L3、C11、C12實現了差分信號與單端信號的轉換，并通過L4、L5、C13構成的T型電路實現與天線電路的匹配。

1.4 發射功率的修正

高品質的射頻信號質量和信號傳輸距離是ZigBee無線傳感器優良特性的必要保證。設計中借助IAR Embedded Workbench集成環境平臺，調整Z-Stack協議棧函數，修正發射功率，以增加節點間通信距離。CC2530片內單片機輸出功率寄存器為TXPOWER，功率配置如表1所示。

表1 TXPOWER寄存器配置

協議棧默認設置為0XD5，為了擴展信號傳輸距離，將協議棧mac.radio.c文件下的TXPOWER寄存器值調整為0XF5，此時相應的輸出功率為4.5 dBm。修正程序如下：

void macRadioSetTxPower(uint8 txPower)

{

halIntState_t s;

if(txPower> MAC_RADIO_TX_POWER_MAX_DBM)

{

txPower= MAC_RADIO_TX_POWER_MAX_DBM;

}

HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(s);

reqTxPower = macRadioDefsTxPowerTable[txPower];

HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(s);

/* update the radio power setting */

reqTxPower = 0xF5;

macRadioUpdateTxPower();

}

測試結果表明：修正后的傳感器節點單元可實現理論距離75 m以上的有效通信。

2 定點測量節點的節能策略

選煤廠ZigBee無線傳感器主要用于監控惡劣作業環境和設備運轉狀況，除少數節點需要移動巡查外，大部分節點處于定點測量狀態，且位于工人無法頻繁接近的惡劣環境中。由于工況復雜、設備載荷高、連續作業時間長，必須采取有效措施延長電池供電模式下的網絡生命周期，以提高傳感器品質。

2.1 睡眠模式的切換

設計中通過Z-Stack 協議棧函數定義CC2530內睡眠定時器的時間參數，控制CPU進入睡眠模式，具體控制流程如圖2所示。程序初始化運行進入OSAL操作系統，系統自動查詢定時器時間及中斷觸發事件，如果中斷觸發，系統就進入相應的中斷事件處理函數處理中斷，然后節點進入睡眠狀態，睡眠定時器重新計數。定時器計數結束后，睡眠定時器中斷將喚醒終端節點CC2530，與協調器或路由器進行通信，確認網絡的存在并上傳采集數據。

2.2 信標模式的選擇

在ZigBee網狀結構中，信標對于傳感器節點尤為重要。由于終端節點不需要長時間偵聽信道，故針對不同功能節點分別采用非信標與信標模式，以節省能耗。ZigBee網絡的信標功能實現了網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，實現了最大程度的節省能耗。

網絡協調器采用信標模式工作，負責以一定的時間間隔向網絡廣播信標幀，激活網絡中休眠模式終端節點，采集數據并上傳至數據服務器。網絡終端節點采用非信標模式工作，節點在大多數時間都處于睡眠模式，只在有數據收發和網絡會話時激活，此時協調器為終端節點緩存數據，終端節點主動從協調器提取數據，從而實現了終端設備的周期性睡眠。

圖2 CC2530片內CPU睡眠模式控制流程

3 移動巡查節點的定位跟蹤設計

在借助節點建立的具有一定功能的ZigBee空間網絡中，由于傳感器節點位置未知而感知的數據沒有應用價值，因此通過移動節點的位置信息確定數據采集和中斷發生的定位功能至關重要[6-7]。由于定點測量節點部署的隨機性和易失性等特點，定位方案必須滿足網絡的自組織性、自愈性和射頻單元收發功率的健壯性，為此，依靠有限錨節點位置方案，借助定位算法分析區域中未知節點的位置信息。

ZigBee無線傳感器網絡是二維坐標空間，確定節點位置信息僅需測量移動節點到三個錨節點的距離。假設錨坐標分別為(x1、y1)，(x2、y2)，(x3、y3)，待定位節點坐標為(x、y)，該節點到三個錨節點的距離分別是S1、S2、S3，根據二維空間距離計算公式可得到一個非線性方程組，利用線性化方法來求解，即可得到待定位節點的坐標(x、y)，從而實現節點定位測量。

ZigBee無線傳感器網絡中測量節點間距離或角度的方法包括RSSI、TDOA、AOA、TOA四種[8-10]，其中RSSI和TDOA最常用。RSSI技術利用已知發射功率的RF射頻信號測量錨節點接收功率，通過計算信號的傳播損耗并基于理論信號傳播模型，將傳播損耗轉化為實際距離。由于信號傳播模型建模的復雜性，RSSI作為一種粗糙的測距技術，測距誤差高達50%。為此，采用TDOA測距技術確定ZigBee無線傳感器網絡的定位方案。

以路由器為錨節點協助移動節點定位測距，利用射頻RF和超聲波US兩種不同信號到達同一節點所產生的時間差來確定節點間的距離。基于己知的信號傳播速度和兩種信號到達節點的時間差 來計算距離，Δt計算式為：

(1)

由于Vus?Vrf，故式(1)可以簡化為：

d=Vus×Δt，

(2)

式中：Δt為兩種信號到達節點的時間差，s；d為測量距離，m；Vus為超聲波速度，約為344 m/s；Vrf為射頻速度，約為3×108m/s。

與RSSI技術相比，TDOA測距技術測距精度可達到厘米級。利用TDOA測距技術完成節點距離的測量后，通過Bounding box計算法計算節點坐標，原理如圖3所示。

圖3 Bounding box計算法原理圖

4 ZigBee無線傳感器試驗性組網應用

針對無線傳感器在選煤廠的應用特點，設計動靜態節點并采用簇型網絡結構，如圖4所示。

圖4 動靜節點試驗測試圖

CC2530片內單片機有多路通用IO功能，可將多種傳感器與ZigBee模塊相接，形成具有數據采集功能的終端節點，實現一節點多種數據量的采集。試驗網絡采用信標模式，終端節點設置為休眠狀態，當相應指標越過警限值時，喚醒終端節點，并將采集數據傳輸到上一層節點。設置移動巡檢節點測試設備的定位追蹤功能，觸發中斷事件并向錨節點發送定位請求，錨節點應答并啟動定時器，移動節點發射RF和US信號，錨節點接收信號后關閉定時器并計算實際距離。隨機重復試驗測量數據表明，計算值與測量值誤差保持在0.5 m內，滿足選煤廠應用的定位精度。

5 結語

根據選煤廠實際需求設計的ZigBee無線傳感器具有測量范圍廣、靈敏度高、信號質量強、網絡容量大等特點，可滿足工業現場監控系統的要求。終端節點睡眠狀態下的能耗降低，滿足電池供電需要長時間連續作業的要求。信標模式激活休眠節點僅需15 ms，降低了終端節點傳輸數據時的碰撞概率，提高了信息傳輸的可靠性。采用TDOA測距技術，可實現移動節點的準確定位，為ZigBee無線巡檢技術的廣泛應用提供了一定技術探索。

[1] 劉 輝.集散控制系統與現場總線技術[J].自動化儀器與儀表,2001(5):11-13.

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[5] 劉 輝，趙麗芬，孫番典，等.基于CC2530的ZigBee射頻收發模塊設計[J].云南民族大學學報(自然科學版),2012(6):452-456.

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Design of ZigBee wireless sensor for coal preparation plant

YANG Shuo1,2， CAI Xian-feng1,2

(1.China Coal Technology and Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2.Coal Washing and Engineering Technology Research Center of Hebei province, Tangshan, Hebei 063012,China)

On the basis of CC2530 hardware of chip SOC, design proposal of Zigbee wireless sensor for coal preparation plant is given, in which design principle of radio frequency transmission circuit is explained as well as a method of energy conservation for fixed node is proposed, with traced position of mobile node based on location algorithm. Random repeated tests show that ZigBee wireless sensor has been able to serve intelligent monitoring system of coal preparation plant well because of the feature of high-quality signal, low power consumption and good positioning.

ZigBee wireless sensor; fixed nodes; mobile nodes; location algorithm

1001-3571(2015)05-0083-05

TD948.9

A

2015-10-12

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.022

中國煤炭科工集團科技創新基金項目(2014MS026)

楊 碩(1986—)，男，河北省唐山市人，助理工程師，從事選煤廠自動化設計工作。

E-mail：yangshuo568@126.com Tel: 18631511918