竇文博，王衛(wèi)東

（江蘇科技大學 計 算機科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn) 江212003）

船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶自動化的一個重要標志，可分為機艙內(nèi)監(jiān)控和機艙外監(jiān)控。機艙內(nèi)船舶主要機械設備的工作狀態(tài)以及機艙外船舶的運行環(huán)境是否正常，直接關(guān)系著整個船舶能否正常運行，因而對船舶相關(guān)機械設備和環(huán)境的重要參數(shù)（溫度，壓力，氣體濃度等）進行實時監(jiān)控具有重要意義。目前的船舶監(jiān)控模式基本為有線式的集中監(jiān)控，而利用無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點來替代傳統(tǒng)的有線的傳感網(wǎng)絡節(jié)點進行相關(guān)的監(jiān)測和控制工作，能夠有效的解決由于船舶空間的復雜性造成的布線困難、不易維護等技術(shù)難點，此外還降低了施工人員的工作強度以及工程成本[1]。因此，利用Zigbee無線技術(shù)進行監(jiān)控，相比與有線監(jiān)控技術(shù)具有許多技術(shù)優(yōu)勢。

1 Zigbee技術(shù)簡介

Zigbee是一種新興的基于 IEEE802.15.4無線標準開發(fā)的近距離、低復雜度、低成本、低功耗、自組織的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，以 2.4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術(shù)[2]。每個具有完整功能的Zigbee節(jié)點有兩種功能：與監(jiān)控對象（如傳感器節(jié)點）直接進行連接，來完成數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控任務；此外還有簡單的路由中轉(zhuǎn)功能，在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，與網(wǎng)絡中其它的承擔中轉(zhuǎn)任務的多個節(jié)點進行無線連接。由于其架構(gòu)簡單，再加上節(jié)點體積小，且能自動組網(wǎng)，因此網(wǎng)絡布局十分簡單方便；再加上大量的節(jié)點能進行群體協(xié)作，網(wǎng)絡本身具有很強的自愈能力，任何一個節(jié)點的損壞都不會對整體任務的完成造成致命性的影響，非常適合用來組建無線傳感網(wǎng)絡[3]。由于這些特點，Zigbee技術(shù)在將來的工業(yè)控制、家庭自動化、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫(yī)用設備等領(lǐng)域發(fā)揮的作用會越來越突出[4]。

Zigbee協(xié)議標準采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為其上層提供特定服務：數(shù)據(jù)服務實體和管理實體分別提供數(shù)據(jù)傳輸服務和其他管理服務。?協(xié)議棧中的每一層都通過服務訪問點（SAP）向上層提供相應的服務，每個SAP通過服務原語來實現(xiàn)對應的功能。Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4標準定義的物理層（PHY）和媒體訪問控制層 （MAC）的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡層（NWK）、應用層（APL）以及安全服務規(guī)范。應用層由應用框架（AF）、應用支持子層（APS）、Zigbee 設備對象（ZDO） 以及用戶自定義的應用對象組成[5]。用戶可以在這個標準的基礎(chǔ)上開發(fā)所需的應用。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

系統(tǒng)主要由Zigbee終端設備節(jié)點（傳感器節(jié)點）、路由設備節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。基于Zigbee的船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能就是將船舶的傳感信息參數(shù)數(shù)據(jù)采集至Zigbee終端設備節(jié)點，終端設備節(jié)點通過無線網(wǎng)絡把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igbee路由器節(jié)點，路由器節(jié)點主要承擔數(shù)據(jù)接力功能，然后路由器節(jié)點將轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絑igbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，最后協(xié)調(diào)器節(jié)點利用串行接口把數(shù)據(jù)傳送至上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

上位機系統(tǒng)部分是本系統(tǒng)的人機交互界面，主要負責數(shù)據(jù)的分析和顯示；協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡的建立與管理，通過串口把終端設備采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機；路由器主要負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而擴大網(wǎng)絡的覆蓋發(fā)范圍；終端設備節(jié)點主要負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集，并把數(shù)據(jù)傳到路由器或協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器能與多個終端設備進行直接通信，路由器節(jié)點主要是起到多跳路由作用。由于船舶機艙環(huán)境復雜，無線信號極容易受到障礙物的阻擋，因此這就要求無線通信能實現(xiàn)多跳功能。所謂多跳無線通信就是指利用全功能節(jié)點的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，將數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)發(fā)從而達到要求的傳輸距離或避開障礙物。Zigbee協(xié)議棧存在路由功能，只需在節(jié)點載入?yún)f(xié)議棧的路由程序，采用樹形或網(wǎng)狀的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)多跳的無線通信。本文的設計重點是介紹Zigbee無線傳感網(wǎng)絡在船舶上的具體實現(xiàn)，因此將不討論上位機的用戶界面的具體設計。

3 系統(tǒng)硬件設計

本設計的硬件核心部分為TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530能以很低的材料成本以及很簡單的外部電路設計建立起非常強大的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，而且還不用考慮射頻電路的設計，它集成了一個高性能的RF（射頻天線）收發(fā)器、一枚業(yè)界標準的增強型8501微控制器內(nèi)核（MCU）以及有8K的RAM,支持四種不同版本的Flash存儲器（32/64/128/256KB）擁有強大的五通道DMA，CSMA/CA硬件支持，AES加密安全協(xié)處理器，兩個通用同步串口，支持多種串行通信協(xié)議[6]。協(xié)調(diào)器在整個網(wǎng)絡中處理的數(shù)據(jù)最多，職責最重，因此協(xié)調(diào)器選擇使用存儲器是256K的CC2530芯片。由于CC2530有多種不同的運作模式和真正的片上系統(tǒng) （Soc）解決方案，使得很適合用在低功耗的系統(tǒng)中，而且不需要國語復雜的外圍電路。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點硬件設計

協(xié)調(diào)器與路由器的硬件模塊基本相同，最大的不同就是路由節(jié)點沒有串口電路，以下只介紹協(xié)調(diào)器的硬件設計。協(xié)調(diào)器節(jié)點是由CC2530芯片與串口模塊組成，本設計的串口模塊選用的是MAX3232芯片來完成RS232串口數(shù)據(jù)的電平轉(zhuǎn)換。此外協(xié)調(diào)器節(jié)點還包括電源模塊、射頻天線（RF）模塊以及晶振電路等模塊。電源模塊用于為協(xié)調(diào)器節(jié)點的其它功能模塊供電，保證節(jié)點的正常運行，供電電壓為2．0～3．6 V之間。RF模塊主要用于數(shù)據(jù)的無線收發(fā)和傳送。晶振模塊是兩個不同頻率的晶振，分別用于無線收發(fā)數(shù)據(jù)和休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Structure diagram of the coordinator node

3.2 終端設備節(jié)點硬件設計

在監(jiān)控系統(tǒng)中，分布最廣數(shù)量最多的就是終端設備節(jié)點，主要負責對船艙重要數(shù)據(jù)的收集與傳送。終端設備節(jié)點由處理器模塊（CC2530）、電源模塊、射頻天線（RF）模塊、晶振電路模塊以及傳感器單元等模塊組成。傳感器單元模塊主要是一些溫度，濕度，氣體濃度，壓力等傳感器。另外為保證終端節(jié)點設備的靈活性，電源的供電方式一般采用兩節(jié)電池供電，因為CC2530的工作電壓在 2～3．6 V，而兩節(jié)電池的電壓一般在3 V左右，因此完全能滿足其工作電壓。不過對于部分對工作電壓要求高的傳感器，電池電壓達不到其工作的最低標準時，可以使用外部直流電源為其供電。終端設備節(jié)點硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 終端設備節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig．3 Structure diagram of the terminal device node

4 系統(tǒng)軟件設計

硬件的設計的只是完成了協(xié)議棧中物理層的一些功能，而物理層以上的功能單獨依靠硬件則是不能實現(xiàn)的，它還需要軟件的驅(qū)動才能實現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件使用IAR Embedded Workbench作為開發(fā)平臺，并在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進行應用軟件的開發(fā)。Z-Stack是TI公司的基于Zigbee標準的協(xié)議棧，包含了Zigbee標準描述的各層功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API接口，通過調(diào)用這些接口來實現(xiàn)不同的功能。整個應用程序運行時可以自動形成一個網(wǎng)絡，終端設備節(jié)點能夠主動發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點（上級節(jié)點），并且一旦加入網(wǎng)路，能夠自動建立綁定。

4.1 組網(wǎng)及協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設計

Zigbee網(wǎng)絡的建立和維護不論多復雜，都從建立網(wǎng)絡開始。當協(xié)調(diào)器啟動以后，此時協(xié)調(diào)器會在應用指定一個的網(wǎng)絡信道范圍內(nèi)進行能量掃描，通過監(jiān)聽獲得各個信道上的能量值，并把能量值進行排序，列出信道上的干擾值，拋棄超過最大允許的能量值的信道，在已存在網(wǎng)絡最少的信道上建立網(wǎng)絡，若信道上的存在網(wǎng)絡數(shù)一樣，則在沖突和干擾最少的信道上建立網(wǎng)絡。當選定網(wǎng)絡信道以后，會進行一系列的參數(shù)設置，包括網(wǎng)絡地址、PAN標識以及擴展PAN標識等。當這些參數(shù)都設置好后，網(wǎng)絡就基本建立起來了，只等待其它節(jié)點的加入。

組建一個Zigbee網(wǎng)絡主要由Zigbee協(xié)議棧的網(wǎng)絡層實現(xiàn)[7]，協(xié)調(diào)器節(jié)點工作的軟件部分包括初始化并組建網(wǎng)絡、允許子節(jié)點加入網(wǎng)絡以及傳輸數(shù)據(jù)三大部分構(gòu)成。在協(xié)調(diào)器節(jié)點啟動后，Zigbee協(xié)議棧會按照上節(jié)所介紹的組網(wǎng)流程去組建一個Zigbee網(wǎng)絡，首先在系統(tǒng)初始化之后，掃描并選擇合適的信道后對網(wǎng)絡參數(shù)進行設置，并最后確定網(wǎng)絡是否組建成功，如沒有組建成功，則協(xié)調(diào)器節(jié)點重新執(zhí)行上面的步驟，直至網(wǎng)絡成功組建。組網(wǎng)成功以后還不算真正的Zigbee傳感網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器還需要監(jiān)測是否有入網(wǎng)請求并允許有請求的子節(jié)點加入網(wǎng)絡，并成功分配給自己點相應的網(wǎng)絡地址后，才算組網(wǎng)成功，這只是協(xié)調(diào)器的部分任務。

上面的組網(wǎng)階段完成以后，協(xié)調(diào)器在正常工作的過程中，不斷的檢測有無數(shù)據(jù)傳送。其實，當協(xié)調(diào)器檢測到有數(shù)據(jù)的傳送時，程序會自動進入中斷接收狀態(tài)，在此過程中，數(shù)據(jù)會被暫時存放在指定的區(qū)域，其它外部程序以指針的形式調(diào)用這些數(shù)據(jù)。隨后，協(xié)調(diào)器會判斷數(shù)據(jù)的來源，若是上位機通過串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則認為是命令，之后對命令會進行相應的處理；若是傳感數(shù)據(jù)，則又會啟動相應的數(shù)據(jù)處理程序，并更新存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，之后通過串口傳送至上位機進行進一步的處理。圖4所示是其程序流程圖。

路由節(jié)點程序除了一些配置和協(xié)調(diào)器節(jié)點不同之外，其它基本一致。

4.2 終端設備節(jié)點程序設計

終端設備節(jié)點要將收集到的溫度信息送到路由器或協(xié)調(diào)器，終端設備節(jié)點首先要加入網(wǎng)絡，與此同時，該節(jié)點還要將自己綁定到第一個響應的協(xié)調(diào)器節(jié)點或路由節(jié)點。終端設備節(jié)點通過函數(shù)ZDO_StartDevice()自發(fā)的加入網(wǎng)絡，并通過函數(shù)zb_BindDevice()發(fā)出綁定請求，綁定成功后終端設備節(jié)點程序循環(huán)調(diào)用SendData()函數(shù)周期性的發(fā)送采集到的溫度信息，采取端到端確認的發(fā)送模式。函數(shù)zb_SendDataConfirm()可以作為指示應答，如果協(xié)調(diào)器節(jié)點或路由節(jié)點沒有指示應答，終端設備節(jié)點會自動解除本次綁定，重新尋找網(wǎng)絡并進行綁定。圖5所示為其程序流程圖。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the coordinator node

圖5 終端節(jié)點軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the terminal device node

5 系統(tǒng)測試

5.1 通信測試

用IAR把相應的程序分別下載到各節(jié)點。通過串口接入電腦，在對串口進行相應設置后，程序運行時，便可在PC機的終端中查看到經(jīng)過處理后的的溫度數(shù)據(jù)信息 （為方便測試，終端設備節(jié)點只進行溫度的采集）。利用串口調(diào)試助手接收到的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。在此過程中，用標準溫度計對同一空間進行溫度測量，測量結(jié)果顯示和本實驗結(jié)果只有極小誤差，可以滿足大部分測量需求。同時進行了通信距離測試，在沒有路由節(jié)點的情況下進行點對點的測試，測試環(huán)境為實驗室樓并有墻壁阻擋，測試結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，無線網(wǎng)絡完全可以覆蓋大部分中小型船舶機艙環(huán)境。如果需要還可以添加功放芯片CC2591，經(jīng)測試，傳播距離會成倍數(shù)增加。

5.2 功耗測試

圖6 溫度測試結(jié)果Fig.6 The results of temperature test

表1 通信距離測試結(jié)果（無路由節(jié)點）Tab.1 The results of communication distance test（No route node）

溫度傳感節(jié)點的功耗問題直接影響了系統(tǒng)的壽命，在傳感節(jié)點每發(fā)送一次數(shù)據(jù)后就進入休眠狀態(tài)，在完成一次數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送后，傳感節(jié)點會自動進入休眠低功耗狀態(tài)；在休眠狀態(tài)結(jié)束時，傳感節(jié)點就會重新進入到工作過程，可有效降低功耗。溫度傳感節(jié)點采用兩節(jié)5號電池供能，休眠狀態(tài)下電流為0.4 μA，工作狀態(tài)下電流為24.3 mA。經(jīng)測試，兩節(jié)5號電池的正常工作時間在6個月左右，完全符合低功耗的性能需求。

6 結(jié)束語

根據(jù)船舶內(nèi)部的實際情況，以片上系統(tǒng)CC2530芯片為核心設計了一個完整的Zigbee無線船舶狀態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡。它能有效解決有線監(jiān)控網(wǎng)絡布線難、擴展性差等問題，并具有可靠性強，組網(wǎng)靈活性高以及自愈能力強等特點，基本能滿足對中小型船舶機艙一些重要設備、環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)控。

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