基于Zigbee和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的航標(biāo)燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

吳建勇　蘇建歡　張成研

【摘 要】本文通過(guò)ZigBee（CC2530模塊）構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器采集航標(biāo)燈工作情況，使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能（UM220模塊）實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的采集，并使用STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)處理導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過(guò)北斗短報(bào)文（GYM2003B）發(fā)送到陸地控制中心。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航標(biāo)燈對(duì)船舶的指引作用越發(fā)重要。而隨著科技的不斷進(jìn)步，航標(biāo)燈已經(jīng)從原始的天然航標(biāo)發(fā)展為人工航標(biāo)，對(duì)航標(biāo)燈的維修檢測(cè)也從定期排查發(fā)展成遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人監(jiān)控，大大縮減的人力的消耗。目前，大部分的系統(tǒng)使用的是“GSM+GPS+微處理器”的模式，此系統(tǒng)能夠完成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，卻也存在著一些缺點(diǎn)：GSM系統(tǒng)在海洋領(lǐng)域存在著信號(hào)無(wú)法覆蓋的盲區(qū)，導(dǎo)致通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)；GPS系統(tǒng)是美國(guó)軍方產(chǎn)品，在我國(guó)使用有著諸多限制。本文的設(shè)計(jì)則是基于我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)北斗系統(tǒng)所特有的短報(bào)文發(fā)送功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線通信，而且在海洋領(lǐng)域也不存在信號(hào)盲區(qū)，而使用ZigBee系統(tǒng)則可以大大減少系統(tǒng)的成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系可以分為3種類型：星狀結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。主要有ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般主要由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的管理，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)上接有GYM2003B模塊，負(fù)責(zé)北斗短報(bào)文通信功能，而所有節(jié)點(diǎn)都接有UM220模塊實(shí)現(xiàn)定位功能。

如圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分為兩個(gè)部分。其中路由或終端節(jié)點(diǎn)部分結(jié)構(gòu)相同，由UM220模塊采集定位數(shù)據(jù)，通過(guò)微處理器進(jìn)行處理，ZigBee模塊接收微處理器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)以及傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分將所收集的信息通過(guò)北斗短報(bào)文模塊（GYM2003B）將信息發(fā)送給地面控制中心進(jìn)行處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 終端硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于ZigBee的短距離無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中擁有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由、終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)會(huì)將它所采集的信息通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則通過(guò)北斗短報(bào)文發(fā)送功能將信息發(fā)送到地面控制中心。

2.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

ZigBee模塊是構(gòu)建底層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心。主要負(fù)責(zé)構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將各航標(biāo)聯(lián)系在一起，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠與匯聚節(jié)點(diǎn)通信。ZigBee模塊選擇TI公司的CC2530模塊，它具有低成本、高性能且能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，它在空曠地帶不使用增加發(fā)射功率的情況下，通信距離能夠達(dá)到100m，而示兩航標(biāo)燈之間的距離可適當(dāng)增加發(fā)射功率，其最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)到1000m，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中也可以通過(guò)增加路由器使得通信距離無(wú)線增加。并且CC2530內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051MCU系統(tǒng)，可在其IO口接傳感器用于接收采集到的信息。本系統(tǒng)中，通過(guò)CC2530模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信需要遵循以下步驟：調(diào)用協(xié)議棧提供的組網(wǎng)函數(shù)、加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點(diǎn)的加入；發(fā)送設(shè)備調(diào)用協(xié)議棧提供的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)：afStatus_t AF_DataRequest（afAddrType_t *dstAddr，

endPointDesc_t *srcEP，

uint16 cID，

uint16 len，

uint8 *buf，

uint8 *transID，

uint8 options，

uint8 radius）

此函數(shù)最重要的核心參數(shù)是：uint16 len--發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；uint8 *buf--指向存放發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的指針。cID為每一個(gè)消息的消息ID，用于消息識(shí)別并作相應(yīng)處理。其在接收消息時(shí)使用osal_msg_receive

函數(shù)從消息隊(duì)列中接收一個(gè)消息，如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_

CMD（協(xié)議棧中所定義的新消息的ID）再使用switch語(yǔ)句對(duì)消息ID判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2.2 北斗定位模塊

北斗定位模塊選用和芯星通公司的UM220型號(hào)，和芯星通UM220-ⅢN雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時(shí)支持BD2B1、GPSL1兩個(gè)頻點(diǎn)，定位精度為2.5m，首次定位時(shí)間為32s，并且具有兩個(gè)串口，串口1為主串口，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、固件升級(jí)功能，信號(hào)類型為L(zhǎng)VTTL電平；串口2僅支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，不支持固件升級(jí)。其上電之后會(huì)通過(guò)串口把接收到的消息發(fā)送出去，其消息的基本格式如下：$MSGNAME，data1，data2，data3，…[*CC]＼r＼n。每條消息均為全ASCII字符組成的字符串，所有的消息都以‘$（0x24）開(kāi)始，后面緊跟著的是消息名，之后跟有不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)，消息名與數(shù)據(jù)之間以逗號(hào)（0x2c）進(jìn)行分隔，最后是可選的校驗(yàn)和，以‘*（0x2a）與前面的數(shù)據(jù)分隔。由于UM220會(huì)不斷的占用處理器的串口資源，并且需要處理器從接受的消息中提取出位置信息，則用一個(gè)微型處理器STC89C52用于接收并處理定位消息，并將位置消息通過(guò)串口發(fā)送給CC2530。

2.3 北斗短報(bào)文通信模塊

北斗短報(bào)文模塊GYM2003B則可以建立海洋與陸地的遠(yuǎn)程無(wú)線通信系統(tǒng)，GYM2003B模塊通過(guò)北斗短報(bào)文收發(fā)信號(hào)的低噪聲放大、功率放大、上下變頻和基帶處理，實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文收發(fā)功能。此模塊和外設(shè)之間傳輸以語(yǔ)句格式進(jìn)行，每一個(gè)語(yǔ)句以字符‘$開(kāi)始，緊接著5個(gè)語(yǔ)句ID字符，其后是數(shù)據(jù)體，末尾為校驗(yàn)。

北斗短報(bào)文通信模塊中的消息分為用戶設(shè)備輸出至外設(shè)的語(yǔ)句和外設(shè)輸入到用戶設(shè)備的語(yǔ)句。當(dāng)外設(shè)需要通過(guò)北斗短報(bào)文模塊發(fā)送消息時(shí)，需要先發(fā)送通信申請(qǐng)指令，例如，使用漢字編碼格式發(fā)送00時(shí)的16進(jìn)制申請(qǐng)指令如下所示：

24 54 58 53 51 00 16 03 00 FF 44 03 00 FF 00 20 00 A3 B0 A3 B0 58上述短報(bào)文通信格式解析為：報(bào)頭前5個(gè)字節(jié)$TXSQ，0016表示通信申請(qǐng)指令的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為22個(gè)字節(jié)，發(fā)送方ID占3個(gè)字節(jié)，電文編碼形式占1個(gè)字節(jié)，接收方ID占3個(gè)字節(jié)，本例中發(fā)送方與接收方為同一ID，00 20表示電文長(zhǎng)度即電文內(nèi)容為32位，是否應(yīng)答位占1個(gè)字節(jié)，A3 B0 A3 B0為漢字編碼電文內(nèi)容，最后為異或校驗(yàn)和，除電文內(nèi)容以外的固定字節(jié)數(shù)為18個(gè)字節(jié)。電文內(nèi)容若用漢字編碼，則兩個(gè)字節(jié)表示一個(gè)漢字，電文內(nèi)容總長(zhǎng)度不超過(guò)200字節(jié)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信及其定位功能，采用ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈工作信息的采集以及實(shí)現(xiàn)短距離通信功能。系統(tǒng)采用ZigBee與北斗技術(shù)相結(jié)合的方式，綜合降低了建設(shè)成本，使用我國(guó)自主研發(fā)的北斗技術(shù)更加安全可靠，進(jìn)一步擴(kuò)展北斗系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]