摘 要：ZigBee技術是一種低復雜度、高靈活度的雙向無線通信技術，其在定位系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)中具有非常廣泛的應用?；赯igBee技術開發(fā)定位系統(tǒng)不僅可以同時為多節(jié)點同時提供定位與無線通信服務，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳感器定位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣踊c智能化。本文對ZigBee技術在消防員火場定位系統(tǒng)中的應用研究進行了分析與研究。

關鍵詞：ZigBee技術；定位；遠程控制；無線通信

中圖分類號：TP212.9；TN929.5

ZigBee技術是一種近距離無線通信技術，該技術可以將多種傳感器構建成為傳感器網(wǎng)絡，然后利用ZigBee傳輸總線進行無線通信，具有功耗低、成本低、容量高、可靠性強等特點?；谠摷夹g所構建的無線通信網(wǎng)絡內(nèi)的傳感器可以以接力的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以相關參數(shù)為指標，可以實現(xiàn)傳感器的快速定位。

1 ZigBee技術及其傳輸網(wǎng)絡特征

ZigBee網(wǎng)絡的工作頻段有2.4GHz、868MHz以及915MHz等三個頻段，所能夠覆蓋的最大距離不超過75m，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量可達上百個甚至上萬個，網(wǎng)絡內(nèi)設備的數(shù)據(jù)傳輸率有限，但是其工作時的能耗較低，組建成本低廉，可實現(xiàn)靈活可靠部署。

具體來說，ZigBee網(wǎng)絡的特征分為以下幾方面：（1）基于ZigBee技術的器件所使用的頻段在ISM頻段，是一種公共頻段，不需要進行授權即可使用，并且該傳輸網(wǎng)絡可用的信道數(shù)可達27個，通信速率有3中模式。（2）ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但是能夠滿足低通信速率要求的監(jiān)控應用需求，并且傳輸速率可選擇性強，匹配要求靈活。（3）ZigBee網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點間的有效傳輸距離只有幾十米，但是可以通過增大射頻發(fā)射功率的方式進行覆蓋范圍拓展。（4）支持ZigBee通信的設備大多具有“休眠”、“待機”等工作機制，這一機制的引入可有效降低網(wǎng)絡的功耗，正常情況下，使用普通堿性電池提供電源，標準ZigBee網(wǎng)絡可連續(xù)工作超過半年。（5）ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)的各節(jié)點能夠在非常短的時間內(nèi)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，并接入到網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中，其響應能力非常突出。（6）ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)各節(jié)點、各模塊間的通信采用了冗余設計，還針對性的對認證、重傳以及阻塞等網(wǎng)絡傳輸問題進行了優(yōu)化，從而有效減少了數(shù)據(jù)傳輸過程中的競爭與沖突問題。（7）ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)的單個主控設備最大可以配置254個從屬設備，還可以使用網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器等器件將超過65000個節(jié)點接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)大范圍的網(wǎng)絡覆蓋。（8）ZigBee網(wǎng)絡還支持多種組網(wǎng)方式，為保證網(wǎng)絡通信安全，其采用了三層安全層策略，不同安全控制機制負責不同的數(shù)據(jù)傳輸層。

2 ZigBee技術在消防員火場定位系統(tǒng)中的應用實現(xiàn)

ZigBee定位網(wǎng)絡中的無線傳感器分為三類：協(xié)調(diào)器節(jié)點、參考節(jié)點以及被定位目標移動節(jié)點。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點可作為ZigBee網(wǎng)絡的網(wǎng)關對網(wǎng)絡內(nèi)的傳感器節(jié)點進行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，具體功能為：響應控制中心的控制指令，開放ZigBee傳感網(wǎng)絡，允許其他節(jié)點接入網(wǎng)絡，并將接入網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)上傳給控制中心進行處理。參考節(jié)點是一類具有確定位置信息的、固定的網(wǎng)絡傳輸節(jié)點，主要負責將其位置信息如RSSI值等傳輸給控制中心，輔助控制中心分析確認需要定位目標的位置信息。被定位目標移動節(jié)點可被安置在消防現(xiàn)場或者消防員身上，供控制中心監(jiān)測其狀態(tài)或確定位置。

定位中所使用的算法可以采用RSSI定位算法，該算法以RSSI值作為核心定位參數(shù)，移動節(jié)點與參考節(jié)點間的RSSI值越大說明兩者之間的距離越近，參考其他參考節(jié)點的RSSI值即可確定目標的位置信息。具體的，移動節(jié)點啟動采集數(shù)據(jù)事件，并向其網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的參考節(jié)點廣播定位請求信息，之后移動節(jié)點會收到若干個參考節(jié)點所返回的可表征信號強度的RSSI值，移動節(jié)點將該值與參考節(jié)點的地址存儲在表單中，當接收信號個數(shù)達到預設值或者接收時間達到預設時間后，移動節(jié)點停止反饋信息采集，進入定位分析狀態(tài)。分析結(jié)果中，移動節(jié)點選取RSSI值最大的參考節(jié)點作為其位置定位結(jié)構信息上傳給協(xié)調(diào)器，完成該節(jié)點的定位。需要注意的是，單個參考節(jié)點可能會發(fā)送多個反饋信號，移動節(jié)點可以所所接收到的同一參考節(jié)點的RSSI值取平均后進行存儲與分析。定位實現(xiàn)流程如下圖1所示。

圖1 移動節(jié)點定位實現(xiàn)流程圖

3 ZigBee無線通信軟件實現(xiàn)流程

為節(jié)約成本，ZigBee無線通信單元設計過程中所使用的開發(fā)環(huán)境為IAR 嵌入式工作平臺，所采用的協(xié)議棧為Z-Stack協(xié)議棧。利用IAR平臺可以完成I/O端口的配置、時鐘的設定、中斷響應的設計以及射頻信號收發(fā)等功能設定。考慮到聯(lián)動應急系統(tǒng)的通信方式為點對點式，因而網(wǎng)絡拓撲結(jié)構可以簡化處理，在物理層中進行程序編寫來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。為提升系統(tǒng)的自動化程度，可以充分運用緩沖區(qū)特性進行數(shù)據(jù)緩沖。

系統(tǒng)初始化完畢后，無線通信單元進行協(xié)議棧初始化，然后為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，控制芯片根據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構和通信需求選擇適當?shù)耐ㄐ判诺篮蛿?shù)據(jù)傳輸模式。然后根據(jù)標志位的通信模式標識來確定各組件處于數(shù)據(jù)接收模式還是數(shù)據(jù)發(fā)送模式：接收模式下的通信接口等待數(shù)據(jù)輸入并對其進行接收，定時查詢數(shù)據(jù)是否接收完畢，發(fā)送模式下的通信接口對輸出功率進行配置，之后選擇需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，依照通信協(xié)議要求進行封裝與打包，發(fā)送到接收端，定時查詢數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。上述步驟執(zhí)行完畢后組件進入休眠狀態(tài)，等待下一次中斷請求的輸入，重新進入工作狀態(tài)并接入網(wǎng)絡。

發(fā)送端程序首先需要對DMA進行設定，代碼設計可通過如下語句實現(xiàn)：

DMA_ABORT_CHANNEL（dmaNumberTX）；SET_DMA_SOURCE（damTX，pSendData->load）；SET_DMA_LENGTH（damTX，pSendData->loadlength）。之后開放射頻模塊的中斷標志，使ZigBee通信模塊處于發(fā)送模式，該功能的實現(xiàn)主要通過RFIF=～IRQ_TXDONE；RFIM=～IRQ_SFD；INT_SETFLAG（INUM_RF， INT_CLR）等語句實現(xiàn)。之后發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)送相關的數(shù)據(jù)包長度、目標地址等寫入緩沖區(qū)域，其代碼為：RFD=（pSendData->loadLength+SPP_TOTAL_LENGTH）； RFD=pSendData->DESTI；RFD=CEN_ADDR；RFD=pSendData->flags，最后對發(fā)送長度進行實時判斷，確認是否開始發(fā)送，發(fā)送是否完畢。

接收端首先需要對接收數(shù)據(jù)的地址、所接收的數(shù)據(jù)的長度等內(nèi)容進行初始化設定，其代碼與發(fā)送端DMA設置類似。之后接收端開放通信端口接收數(shù)據(jù)內(nèi)容，并判斷接收是否完畢，若接收完畢則恢復到初始狀態(tài)等待下一次接收。簡要接收代碼如下：

If（FSMSTATE==5RXFIFOCNT>0）

{

ISFLUSHRX；

ISFLUSHRX； }

ISRXON；

return；

參考文獻：

[1]肖昕宇，戴瑜興.基于 ZigBee 技術的消防報警定位系統(tǒng)設計[J].低壓電器，2007（18）：19-22.

[2]鄭帥，周又玲.基于 ZigBee 的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術，2010（11）：129-130.

作者單位：塔城地區(qū)公安消防支隊，新疆 834700