基于Zigbee的儀器設備智能管理終端的設計與實現

曾德智，周華堅，羅衡峰（.工業和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州5060；.惠州市中心人民醫院 廣東 惠州5600）

基于Zigbee的儀器設備智能管理終端的設計與實現

曾德智1，周華堅2，羅衡峰1
（1.工業和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州510610；2.惠州市中心人民醫院 廣東 惠州516001）

基于當前設備管理系統僅局限于資產管理且管理效率低下的現狀，為促進儀器設備的科學管理。作者提出了一種通過計量儀器設備電能來判定儀器設備使用狀態的方法。基于該方法，設計并實現了基于zigbee的設備管理系統。該系統極大的提高了儀器設備的管理效率，促進了儀器設備的科學管理；文章詳細介紹了該系統的軟硬件設計，最后總結全文并提出與RFID資產管理系統的協同工作的展望。

ZigBee；儀器設備管理；電能計量；開關機狀態

目前科研院所、醫院、高等院校、制造業企業等需要大量使用儀器設備的機構，儀器設備管理現狀令人擔憂，很多單位存在著大量儀器設備閑置、責任人不明確、無法定位儀器設備、管理者對單位的儀器設備使用情況全然不知等問題，這樣的現狀很大程度上影響著管理效率及單位信息化程度的高低。為此本文設計與研發的設備管理系統能夠實時的監測和瀏覽各個設備的開關機狀態、環境參數、責任人，還能統計設備的開機率。

1 系統的整體的架構

系統由3部分構成，底層的感知終端節點、通信網關、設備管理軟件；其中底層感知終端節點負責監測設備的開關機狀態等信息，每臺儀器設備都安裝一個感知終端節點，節點間通過ZigBee通信，放置儀器設備的房間的節點就是一個自組網的ZigBee無線傳感網（WSN）。

通信模塊負責終端與設備管理軟件系統之間的通信，這里的通信模塊是指WSN和以太網的網關。每個WSN都有一個協調器節點，在協調器上安裝串口轉以太網網關就能實現WSN和以太網的數據交換[1]。

設備管理軟件可以實時瀏覽設備的開關機狀態，開機率，責任人等設備狀態信息。設備管理軟件可以幫助管理者實時的了解單位所有儀器設備的實時狀態，實現儀器設備的科學管理。

2 設備管理終端硬件設計

設備管理終端是整個系統的核心，終端由8個部分組成，分別是：電能計量模塊、電源模塊、環境參數采集模塊、ZigBee模塊、存儲模塊、時鐘模塊、處理器模塊，電源插頭插座。電能計量模塊通過計量設備使用的電能情況來判斷設備的開關機狀態，因為每臺設備在待機和正常運行時都有一個功率區間段，通過對一小段時間的使用電能計量，可以判斷這個時間段內設備的運行狀態（關機、開機啟動中、正常運行中、待機中）；電源模塊的作用是給嵌入式系統供電，環境參數采集模塊負責采集工作環境的溫度和濕度；ZigBee模塊負責節點間的通信；存儲模塊負責保存設備的單位時間的用電量、設備的用電量等信息、設備的開關機時間；時鐘模塊給系統提供準確的實時時間。終端的硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統架構圖

圖2 設備管理終端硬件設計

2.1 電能計量模塊硬件電路設計

系統選用美國 ADI公司的高精度電能計量 IC：AD7755，AD7755的技術指標超過了IEC1036規定的準確度要求[2]，而且AD7755只在ADC和基準源中使用模擬電路，其他信號處理電路都采用數字電路，所以AD7755在惡劣的環境下仍能保持較高準確度和長期穩定性[3]。電能計量模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 電能計量模塊硬件電路設計

2.2 ZigBee通信模塊與處理器模塊

美國Ti公司的芯片CC2530是一款卓越的ZigBee SOC解決方案，該芯片問世后在國內高校和企業掀起了一股ZigBee技術應用的熱潮。CC2530是一款集成了工業增強級的8051單片機內核、在線可編程存儲器以及領先業界的射頻收發器的處理器。CC2530功耗非常低，可運行在多種模式下，不同的運行模式可在極短時間內切換，更加保證其低功率消耗[4]。CC2530硬件資源豐富，集成5通道DMA功能、IEEE802.15.4 MAC定時器和3個通用定時器、32千赫茲的睡眠定時器 （帶捕獲功能）、IR發生電路[5]、支持RSSI（數字化的接收強度指示器）/LQI（鏈路質量指示）、溫度傳感器和電池監視器、12位可配置ADC（8路輸入）[6]、AES安全協處理器、兩個支持RS232和RS485串行通信協議的串行通信接口[7]、21個通用I/O、看門狗定時器。基于CC2530的上述特點，本文選擇其作為射頻收發芯片，同時作為整個嵌入式終端的處理器。這樣極大的節約成本同時提高系統可靠性。圖4是CC2530的外圍電路設 計圖。

圖4 ZigBee通信模塊電路設計

2.3 存儲模塊和時鐘模塊

基于對系統穩定性以及成本的考慮，本系統選用美國DALLAS公司推出的實時、低功耗且具備涓電流充電能力的時鐘IC：DS1302。DS1302可對年月日到時分秒時間單位進行計時，還具備閏年補充功能。DS1302外圍電路設計簡單，引腳X1，X2用來連接晶振，此處選用32.768 kHz的晶振，起振電容采用6PF的瓷片電容；片選引腳CE連接電源VCC，時鐘引腳和I/O引腳連接單片機的I/O接口；VCC1連接電源VCC，VCC2接入紐扣電池電路正極；出于對系統所需的存儲空間大小、占用硬件資源多少、成本等3方面的綜合考量，選擇AT公司的EEPROM芯片：AT24C16作為存儲IC，AT24C16提供16384位EEPROM，組織形式為2048字×8位字長。AT24C16外圍電路設計簡單，VCC和寫保護WP直接連接電源VCC；時鐘接口SCL和數據接口SDA直接連接單片機I/O口。

2.4 數據采集模塊

文中的環境參數采集，包括溫度和濕度采集，根據高精度和高可靠性、節約硬件資源以及降低成本的原則，濕度傳感器采用數字式濕度傳感器DHT11，溫度傳感器采用DS18B20。兩種傳感器都只有三個引腳，1個VCC，1個GND，1個數據接口DQ。這樣可以極大的節省IO資源。傳感器數據接口在與處理器連接時，需加上上拉電阻。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件主流程圖

智能終端的主程序如圖5所示：系統首先上電并初始化，然后設置設備的計量參數（設備的工作電壓電流以及功率等參數），之后啟動溫濕度數據采集程序以及啟動電能計量程序，電能計量程序啟動后，就能實施開機統計、開機率統計以及關機狀態判斷等工作，最后開啟數據傳輸模塊，能實時發送和接收數據。系統的主流程圖如圖5所示。

圖5 系統主程序設計

3.2 ZigBee節點通信程序設計

3.2.1 協調器程序設計

新建網絡由ZigBee協調器設備負責，ZigBee協調節點首先掃描信道，尋找空閑信道，創建新的網絡。如果探測到空閑的信道[8]，協調器會為新構建的網絡選擇一個在信道中唯一的PAN標識符。PAN標識符一旦確定，說明以PAN標示的網絡已經存在，如果有新的協調器節點掃描該信道，該協調器就會發出響應，聲明該網絡已經存在，請掃描其他信道[9]。此外，該ZigBee協調器節點還將選擇長度為2個字節的網絡地址[10]。ZigBee網絡的所有節點都會有兩個地址，一個是長度為8字節的IEEE擴展地址，另一個是長度為2字節的網絡地址，該地址是全網唯一的，802.15.4協議的MAC短地址就是它[11]。

ZigBee的協調器節點在確定16位的網絡地址后，一個新的網絡就已經存在，然后開始允許接受其他節點加入該網絡[12]。如果一個新的節點要加入到該網絡，該節點首先通過掃描信道，探測該網絡周圍的其他網絡，如果找到了一個網絡，與該網絡中具備路由器功能的節點進行關聯，然后加入網絡。如果網絡節點斷開與該網絡的連接后，想要重新加入網絡，可以通過進行孤立通知再度加入該網絡；網絡中的路由器節點，均負責維護一張路由發現表和路由表，能參加路由發現與維護、轉發數據包以及關聯其他節點加入網絡，ZigBee協調器的工作流程圖如圖6所示。

圖6 協調器程序設計

3.2.2 路由器程序設計

路由器能為終端節點轉發消息，連接協調器和終端節點，使得同類型節點和不同類型節點間能實現數據交換[13]。路由器設備上電初始化節點后，首先就是選擇信道尋找網絡，路由器向外發送數據包，在路由器收到協調器響應后，就記錄下該協調器的MAC地址，并向該地址發送一個加入請求數據包，如果收到來自協調器的確認幀，那么路由器就繼續向該協調器發送一個請求分配地址的數據包[14]，當得到來自協調器的含有短地址的包后，就把該地址配置為自己的短地址，利用這個短地址就能和協調器進行通信了，也就表示路由器己經成功加入到了網絡中[15]。路由器的工作流程圖如圖7所示。

3.3 電能計量模塊程序設計

系統上電后開始初始化過程，設置T1為外部計數方式，對AD7755輸出的頻率信號進行計數。T1設置為內部定時功能，當計時一段時間后，就產生中斷，把T1的計數值讀入CPU，并計算累計的電量，寫入存儲器。計量模塊的程序流程如圖8所示。

圖7 路由器程序設計

圖8 電能計量模塊程序設計

4 結束語

文中所設計的儀器設備智能管理終端是基于CC2530的嵌入式系統，終端能夠采集儀器設備的實時工作電壓和電流以及工作環境的溫濕度，通過對信息的分析和處理，實現開關機狀態的判定、開關機次數統計等功能；數據處理完畢后，終端能通過無線傳感網將數據實時發送給上位機供管理者實時瀏覽查看儀器設備的使用情況。本終端可增加RFID模塊，與RFID資產管理系統互聯，實現儀器設備的位置信息、責任人以及儀器設備的使用情況等信息的綜合管理，進一步提高儀器設備管理智能化和企業信息化程度。

[1]范雄飛.基于技術的單相智能電表的設計與實現[D].呼和浩特：內蒙古大學，2014.

[2]周軍，史興才.基于ZigBee的多用戶智能電表設計[J].電測與儀表2010，47（529）:57.

[3]傅劍，梁英波.智能電表的設計與實現[J].化工自動化及儀表，2010，37（9）:65.

[4]曾德智.LED照明系統網絡測控技術研究及應用[D].廣州：廣東工業大學，2014.

[5]周寧.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的研究和應用[D].保定：河北大學，2010.

[6]王彤.基于Z-Stack協議棧的ZigBee網絡組網研究與實現[D].保定：河北大學，2012.

[7]黃澤界一種基于ZigBee技術遠程無線抄表系統的實現[J]，現代電子技術2014，37（11）:19-21.

[8]李外云.CC2530與無線傳感器網絡操作系統TinyOS應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[9]周鑫，朱向東，于秀波.ZigBee遠程無線抄表系統的設計[J].自動化儀表，2013（3）：31-33.

[10]鮑衛兵，陳偉杰，朱向軍.基于 ZigBee的無線抄表系統的設計與實現 [J].工業儀表與自動化裝置，2013（2）：34-37.

[11]郭湘勇，劉宏立，周平，等.基于技術的建筑能耗監測系統設計 [J].計算機測量與控制，2011（3）：551-553.

[12]張增林，郁曉慶.基于ZigBee和ARm9的農田墑情遠程監測系統節水灌溉[J].節水澆灌，2011（7）：54-57.

[13]李輝，宋詩基于網絡芯片的智能建筑測控終端設計[J].自動化與儀器儀表，2012（1）:42-43，46.

[14]沙國榮，趙不賄，景亮，等.基于無線傳感器網絡的溫室大棚環境測控系統設計[J].電子技術應用，2012（1）:60-63，65.

[15]ZENG DE-zhi，WU Li-ming，LuoXin，et al.the design of a new multi-dimensionanl parameter acquisition equipment with RFID module in sensitive logistics environment[J].International Conference on Precision Mechanical Instruments and Measurement Technology，2013，347-350:1086-1089.

Design and implementation of intelligent management terminal for instrument and equipment based on ZigBee

ZENG De-zhi1，ZHOU Hua-jian2，LUO Heng-feng1
（1.The Fifth Research Institute of Miit，Guangzhou 510610，China；2.HuiZhou Municipal Central Hospital，Huizhou 516001，China）

Based on the current equipment management system is limited to the current situation of asset management and low management efficiency，to promote the scientific management of equipment.The author presents a method to determine the state of use of the instrument and equipment by measuring the electrical energy of the instrument.Based on this method，the equipment management system based on ZigBee is designed and implemented.The system greatly improves the management efficiency of equipment，and promote the scientific management of instrument and equipment；the article describes in detail the hardware and software design of the system，finally summarizes the full text and proposed with the expectation of RFID asset management system of collaborative work.

ZigBee；instrument and equipment management；electric energy measurement；switch machine status

TN99

A

1674－6236（2017）07-0031-04

2016-05-06稿件編號：201605049

曾德智（1988—），男，土家族，湖南常德人，碩士研究生，工程師。研究方向：嵌入式系統設計、信息安全。