基于ZigBee技術的機載無線采集系統的設計

蔣紅娜 王爽 李文華

（中國飛行試驗研究院西安710089）

基于ZigBee技術的機載無線采集系統的設計

蔣紅娜 王爽 李文華

（中國飛行試驗研究院西安710089）

目前，無線傳感器網絡已成為世界各國的研究熱點，在軍事、國家安全、交通管理、醫療衛生和城市信息化建設等領域，它都有廣泛的應用。ZigBee技術以其低復雜度、低成本、低功耗等優點，被廣泛地應用于無線傳感器網絡中。論文以機載無線采集系統為研究對象，結合ZigBee技術，提出一種適用于機載無線采集系統的設計方案，該方案包括系統硬件設計和系統軟件設計兩大部分。

ZigBee技術；無線采集；傳感器網絡

Class NumberTP391

1 引言

現有的機載測試領域，傳感器作為最前端的數據采集單元，是監測飛機試飛過程中各種環境參數的組成部分。通常，這些傳感器監測到的現場參數信號通過通訊電纜被傳遞到機上采集系統，再由機上通過遙測的方式傳遞到地面監控大廳，進行實時監測。隨著參數量級的劇增，需要監測的參數越來越具有挑戰性。同時采用有線的方式從傳感器端采集數據，本身也存在一些弊端，如：安裝成本高，運營和維護不便；安裝位置相對固定，難以適用于位置相對不固定的移動目標的監測；組網形態單一等。

基于ZigBee協議的無線傳感器網絡［1］，具有以下優點：布線方便，成本低；具有自組網特點，單個節點故障不會導致系統的癱瘓；功耗低，傳感器節點可以采用電池供電。基于ZigBee協議的無線傳感器網絡研究和開發在機載測試領域的無線傳感器采集系統的應用可以較好地解決上述問題。

2ZigBee技術簡介

ZigBee是一種低速率、低功耗、短距離無線接入技術，是專為低速率傳感器和控制網絡設計的無線網絡協議。ZigBee無線協議可實現低復雜性、減縮的資源要求，并且提供了一組標準的規范。它提供了三個工作頻帶：868MHZ，915MHZ和2.4GHZ，同時具備可選的安全功能，是為低速率控制網絡設計的標準無線網絡協議。

ZigBee技術的顯著優點為低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活性的網絡結構［2，4］。

1）低速率

ZigBee共有3個不同的工作頻段，工作頻段不同其數據傳輸速率也不同，但都處于較低的速率。在2.4GHz頻段，有16個信道，速率為250kbps；在915MHz頻段，有10個信道，速率為40kbps；而在868MHz頻段，有1個信道，速率為20kbps。

2）低成本

ZigBee協議棧相對Wi-Fi、藍牙要簡單很多，因此它可以采用8位單片機和小規模的存儲器，降低了器件成本。另外，由于ZigBee技術使用全球免費的ISM（Industrial，Scientific and Medical）頻段，因此降低了研發和生產成本［5］。

3）低功耗

節點在工作時，因為ZigBee技術的傳輸速率低，傳輸信息量很小，因此信號的收發時間短；而在非工作模式時，ZigBee節點總處于休眠模式。通常ZigBee節點的電池的工作時間可達6～24個月［3］。

4）自配置

在一定的傳輸距離內，ZigBee通過協調器可以自動建立網絡，采用CSMA/CA方式進行信道接入，而其它節點設備可以隨時加入或退出網絡，因此它是一種自組織、自配置的模式。

5）抗干擾性能好

ZigBee技術有較強的抗干擾能力，它可以與紅外線、藍牙、Wi-Fi等無線通信技術共存。盡管ZigBee技術的調制方式比較簡單，數據傳輸速率低，但ZigBee網絡在2.4GHz的ISM頻段有較好的抗干擾性能［6～7］。

6）短時延

ZigBee的通信時延及從休眠模式激活的時延都很短。典型的休眠激活的時延是15ms，搜索設備的時延是30ms，所以ZigBee技術適合應用在對時延要求苛刻的控制系統中。

7）可靠的數據傳輸

ZigBee的媒體接入控制層（Media Access Control，MAC）采用載波監聽多址/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）接入算法，避免了數據發送的沖突和競爭。MAC層支持有確認模式的數據傳輸，它要求發送的每個數據包都要等待接收方的確認信息。

8）大容量網絡

一個ZigBee網絡最多可由255個ZigBee網絡節點組成，其中有一個為主設備，其余為從設備。如果通過網絡協調器，整個網絡最多可包括超過64000個ZigBee節點，各個網絡協調器又可相互連接，因此整個ZigBee網絡中節點的數量將會非常可觀。

9）安全性高

ZigBee使用循環冗余校驗（Cyclical Redundancy Check，CRC）來校驗數據包的完整性，支持鑒權和認證，且在傳輸數據的過程中提供了三級安全處理，其中第三級采用了高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES-128）的對稱密碼［8］。

ZigBee技術的主要特征如表1所示。

表1ZigBee技術的主要特征

3 ZigBee協議棧

無線網絡節點要進行相互的數據交流就要有相應的無線網絡協議（包括MAC層、路由、網絡層、應用層等），傳統的無線協議很難適應低成本、低功耗、高容錯性等要求，這種情況下，ZigBee協議應運而生。ZigBee協議棧由一組子層構成，每層為其上一層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其它的服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來實現相應的功能。

ZigBee協議棧的體系結構如圖1所示。IEEE802.15.4—2003［3］標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC）。ZigBee聯盟提供了網絡層和應用層（APL）框架的設計，其中應用層的框架包括了應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和由制造商制定的應用對象。

4 基于ZigBee的機載無線采集系統的硬件設計

4.1 系統組成

ZigBee網絡通常由三個節點構成：協調器節點、路由器節點、傳感器節點。傳感器節點也被稱為終端設備。協調器用于創建一個ZigBee網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址，每個ZigBee網絡只需一個協調器；路由器具有路由功能，用于轉發數據；終端設備用于周期性地發送數據，不接收數據。本文所設計的基于ZigBee的機載無線測試網絡采用星型網絡架構，該網絡由一個協調器節點和多個終端設備組成［3］。其系統組成框圖如圖2所示［9］。

4.2 硬件設計

本文設計的硬件系統主要包括：CC2530微控制器模塊、電源轉換模塊、通信接口模塊、編程與調試模塊等。

采用德州儀器（TI）公司生產的CC2530作為本系統的核心器件。該芯片是一個真正的片上系統（SoC）解決方案，建立在IEEE802.15.4標準協議之上，具有優秀的接收器靈敏度和強抗干擾性。CC2530芯片大致由三部分組成：CPU和內存相關模塊，外設、時鐘和電源管理相關模塊，無線電相關模塊。電源轉換模塊將28V直流電源轉換成穩定的3.3V電壓，以供CC2530芯片工作。協調器節點與PC機通過485串口連接，通過上位機軟件實時監測傳感器節點采集的數據信息。

4.2.1CC2530微控制器模塊設計

微控制器模塊是整個系統信息采集和傳遞的核心部分，本系統中選用CC2530作為ZigBee網絡的射頻芯片。該射頻芯片包括一個高性能的2.4 GHz直接序列擴頻的射頻收發器和一個高性能、低功耗的8051微控制器核，不僅僅能夠滿足無線傳感器網絡對低成本、低功耗的要求，而且能夠實現對數據的高效處理。

圖3是CC2530微處理器模塊的電路圖。協調器節點組網成功，隨后傳感器節點入網。傳感器節點周期性地采集數據信息，通過無線射頻模塊發送出去。協調器節點通過無線射頻模塊接收來自傳感器節點的數據信息；通過外接32M晶振，以滿足無線通信的高速率要求。

4.2.2 電源轉換模塊設計

CC2530的工作電壓在3.3V，機上通常電壓為28V直流，采用LM2936電源芯片將電壓控制在3.3V，電源轉換模塊電路圖如圖4所示［10～11］。

4.2.3 通信接口模塊設計

通信接口模塊采用MAX3485芯片，用于RS485通信的低功耗收發。為了提高接口電路的抗干擾能力，在MAX3485的A、B引腳之間并接一個電阻。利用CC2530的P2.0對MAX3485芯片進行收發控制。

5 基于ZigBee的機載無線采集系統的軟件設計

硬件設計只能完成物理層的一些功能，而物理層以上的功能需要借助軟件來完成。本系統采用IAR作為軟件開發平臺，采用TI公司開發的Z-Stack作為ZigBee的協議棧。

5.1 協調器節點軟件設計

ZigBee協調器節點上電后，ZDO層首次進行一系列的初始化工作，然后調用ZDO層的初始化設備函數，最終觸發網絡初始化函數，開始構建一個新的網絡。建立網絡時，協調器節點首先逐個對各個信道進行掃描，根據各個信道的能量值進行排序，選擇能量值達到一定大小的信道為可用信道。其次，由網絡層在可用信道中選定信道，并隨機選擇一個在所選信道中唯一的16位網絡標識符（PANID）分配給這個新建的網絡［8］。協調器的軟件設計流程圖如圖5所示［12］。

5.2 傳感器節點軟件設計

終端采集節點上電以后進行設備初始化，然后檢測周圍是否有網絡存在，當發現有網絡存在時，網絡層將給予ZDA層發現網絡反饋信息，然后由網絡層向能量強度相對較大的網絡發出加入網絡請求；加入網絡成功，則網絡層將給予ZDA層加入網絡反饋。成功加入網絡之后開始向協調器發出綁定請求，綁定成功后開始對光照數據進行采集，將采集到的數據進行預處理并無線發送至協調器節點。傳感器終端采集節點軟件流程圖如圖6所示。

6 結語

本系統采用低功耗、低成本的CC2530組建的基于ZigBee無線采集系統實現對傳感器數據可靠安全的傳輸，星型拓撲的節點設計能夠對任意位置的傳感器數據進行采集。整個系統不僅應用到低功耗的元器件，減少了設計的成本，增加使用的壽命。經過各個模塊之間的友好工作，最終主模塊把采集好的數據發送到上位機，在上位機進行顯示和處理，方便實時監測。本系統為機載測試中不易布線區域的監測提供一個很好的模型，其成本低、功耗低、復雜性低，具有良好的應用前景。

［1］李文仲.ZigBee無線網絡技術入門與實戰［M］.北京航空航天大學出版社，2007.

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設計與實現［J］.計算機工程，2013（01）：264-269.

Design of Airborne Wireless Acquisition System Based on Zigbee Technology

JIANG HongnaWANG ShuangLI Wenhua
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089）

At present，the wireless sensor network（WSN）has become a research focus all over the world，in the military，national security，traffic management，health care and urban informatization construction，and other fields，it has been widely used.ZigBee technology for its advantages of low complexity，low cost，low power consumption，is widely used in wireless sensor network.Based on the airborne wireless acquisition system as the research object，combined with ZigBee technology，a kind of suitable for airborne wireless acquisition system design scheme is put forward，the scheme includes the system hardware design and software design of two parts.

ZigBee technology，wireless acquisition，sensor network

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.027

2016年12月17日，

2017年1月23日

蔣紅娜，女，工程師，碩士研究生，研究方向：飛行試驗測試系統標定及技術成熟度。王爽，女，助理工程師，

研究方向：機載測試產品技術。李文華，女，工程師，研究方向：機載測試產品技術。