閆沖沖，郝永生

（軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場感知已經(jīng)成為戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)的重要組成部分。所謂戰(zhàn)場感知，是指參戰(zhàn)在部隊和支援保障部隊對戰(zhàn)場空間內(nèi)敵、我、友各方的兵力部署、武器配備和戰(zhàn)場環(huán)境（如地形、氣象和水文）等信息的實時掌握過程。戰(zhàn)場感知除了具有傳統(tǒng)的偵查、監(jiān)視、情報、目標(biāo)指示與毀傷評估等內(nèi)容以外，它的最大特點就在于信息共享和信息資源的管理與控制。利用無線傳感網(wǎng)能夠?qū)崟r掌握戰(zhàn)場和士兵的各種信息，繼而了解戰(zhàn)局的發(fā)展，從而控制戰(zhàn)場局勢，立于不敗之地。

1 ZigBee簡介

針對各單兵節(jié)點信息多元化、復(fù)雜化的特點，采用ZigBee來組建無線網(wǎng)絡(luò)連接，而指揮機作為實現(xiàn)大型指揮終端與各單兵節(jié)點之間通信的樞紐，負責(zé)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將獲得的單兵節(jié)點相關(guān)信息反饋給車載指揮終端，再將指揮終端下達的作戰(zhàn)指令分析處理后分配給各單兵節(jié)點，指揮其完成作戰(zhàn)任務(wù)。這樣，實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的戰(zhàn)場態(tài)勢信息共享，提高戰(zhàn)場作戰(zhàn)效率。其功能原理圖如圖1所示。

ZigBee是近年來發(fā)展迅速的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的近距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無線通信技術(shù)[1]。協(xié)議定義了兩種類型的設(shè)備——全功能設(shè)備 （FFD），精簡功能設(shè)備（RFD）。全功能設(shè)備可作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、路由器，實現(xiàn)FFD功能需要足夠的計算能力和存儲能力。RFD設(shè)備功能簡單，由單片機就能完成。FFD設(shè)備之間可以相互通信，RFD設(shè)備只能與FFD設(shè)備通信，其主要特點如下：

圖1 功能原理圖Fig.1 Chart of function and elements

1）功耗：通訊模塊的工作耗電低；

2）成本：協(xié)議棧簡單，并且通信模塊的單位成本低；

3）網(wǎng)絡(luò)容量：網(wǎng)絡(luò)中允許65 000多個ZigBee設(shè)備存在；

4）實時性：可以滿足實時性要求為10 ms量級的系統(tǒng)；

5）工作頻段：可在 2.4 GHz、868 MHz（歐洲）及 915 MHz（美國）等免執(zhí)照頻段工作；

6）安全性：標(biāo)準(zhǔn)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和加密功能，并可以靈活準(zhǔn)確定義安全屬性。

近年來，無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，事實上，短距離通信具有多種技術(shù)方式。表1所列是幾種短距離無線通信技術(shù)的比較。在表1所列的幾種技術(shù)中，基于IEEE802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)起源于本世紀(jì)初的一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其PHY層與MA C層協(xié)議由IEEE802.15.4工作小組制定 ，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用則可根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要來進行開發(fā)，因此，該技術(shù)能夠為用戶提供更加靈活機動的組網(wǎng)方式。

表1 各種短距離無線通信技術(shù)的比較Tab.1 Compare among several techniques of short-haul wireless communications

2 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要有ARM9控制器，觸摸屏顯示模塊，ZigBee無線收發(fā)模塊，GPRS模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Frame of system hardware

2.1 ARM智能控制模塊

本系統(tǒng)采用三星公司S3C2440A芯片作為處理器，利用三星公司的K9F1208芯片作為程序及數(shù)據(jù)的存儲芯片。用兩片日本現(xiàn)代公司的HY57V561620作SDRAM。S3C2440芯片具有以下特點：

1）含有 MMU，支持 Linux，WinCE，EPOC32 等操作系統(tǒng)；

2）含有1 G字節(jié)的地址空間；

3）主頻可達 400 MHz；

4）3 個通用異步收發(fā)器（UART）；

5）LCD控制單元和觸摸屏接口。

綜合以上諸多因素，該處理器完全可以滿足系統(tǒng)終端的要求，含有LCD控制器和觸摸屏接口，方便了人機界面的設(shè)計。含有MMU單元，可以移植μC/OS－II操作系統(tǒng)，保證了控制器的高效性和穩(wěn)定性。

K9F1208flash有64 M字節(jié)的存儲容量，支持快速讀寫，讀取每個字節(jié)數(shù)據(jù)時間只需 12 μs， 寫入時間是 200 μs。HY57V561620是32 M的SDRAM，利用兩片芯片使本系統(tǒng)具有64 M的SDRAM，作為內(nèi)存單元供系統(tǒng)運行時使用。

2.2 ZigBee無線傳輸模塊

無線收發(fā)芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430。CC2430芯片除了整合ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器外，還具有128 kB可編程內(nèi)存和8 kB的RAM、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時器（Timer）、AES－128 協(xié)同處理器、看門狗定時器以及21個可編程I/O引腳等[3]。因此選擇CC2430作為無線收發(fā)部分，使用起來非常容易上手。由于CC2430的高度集成度，外圍需要很少的器件可以組成最小系統(tǒng)。它結(jié)合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)、家居系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等各個領(lǐng)域[4]。

2.3 GPRS通信模塊

GPRS即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低等優(yōu)點，使GPRS技術(shù)成為遠程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。這里GPRS模塊主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)ARM控制器與車載指揮終端之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)選用西門子公司的MC39iGPRS終端，它設(shè)計小巧、功耗很低，具有RS232接口，可以通過串口與S3C2440A相連，此外，它的配件有天線，電源，支持短信收發(fā)、語音、傳真、GPRS上網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)應(yīng)用程序主要由一系列相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括信息采集程序、ZigBee無線通信程序、GPRS無線通信程序等。

3.1 移植μC/OS-II操作系統(tǒng)

μC/OS－II的移植過程需要解決的主要問題有：數(shù)據(jù)類型的重定義，堆棧結(jié)構(gòu)的設(shè)計，任務(wù)切換時的狀態(tài)保存與恢復(fù)等。S3C2440A處理器完全滿足μC/OS－II的移植要求，需要完成的工作非常簡單，修改3個和處理器相關(guān)的文件即可。這3個文件是：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM[6-7]。 具體過程如下：

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

1）設(shè)置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼。

2）在OS_CPU_C.C中編寫6個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。

3）在OS_CPU_A.ASM文件中編寫4個與處理器相關(guān)的函數(shù)。

完成以上工作之后，嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II就可以工作了。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程圖[9]如圖4所示。

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)器及GPRS模塊主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the Zigbee coordinator and the GPRS module’s main program

在本系統(tǒng)中，指揮機實際上是充當(dāng)一個ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS通信終端的角色，不僅要完成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的功能，還要充當(dāng)與車載指揮終端的聯(lián)絡(luò)。ZigBee模塊主要用于建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配地址，向終端節(jié)點發(fā)送控制命令和終端節(jié)點的工作狀態(tài)，并將接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部上傳至指揮機，最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到車載指揮終端。

本設(shè)計中采用AT命令開發(fā)ZigBee，AT命令是通過把ZigBee協(xié)議和AT命令固化到網(wǎng)關(guān)CC2430模塊中，然后通過其他ARM終端的串口與CC2430的串口相連，再通過AT命令集控制整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的。而微處理器S3C2440A也是通過執(zhí)行AT命令，由串口向GPRS模塊發(fā)送控制命令，以完成網(wǎng)絡(luò)接入。AT命令的格式[8]如表2所示。

表2 AT命令格式Tab.2 Format of AT order

4 結(jié)束語

筆者提出了基于ZigBee的單兵終端無線局域網(wǎng)通信模塊的設(shè)計和實現(xiàn)方案，該方案采用低功耗ARM處理器S3C2440A為核心，使用CC2430模塊在各個單兵節(jié)點之間組建局域網(wǎng)絡(luò)，同時利用GPRS實現(xiàn)指揮機節(jié)點與大型指揮終端的遠程通信，從而實現(xiàn)了戰(zhàn)場態(tài)勢共享的網(wǎng)絡(luò)共享，與原有依靠無線電臺來進行通信的手段相比，大大提高了作戰(zhàn)單位與指揮終端之間的信息共享能力，從而間接提高了作戰(zhàn)效率。

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