浦 煒，郭 凱

(常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

當(dāng)前高校對(duì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理還主要停留在人力上，這種方式不僅浪費(fèi)人力，增加管理成本，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)信息也得不到及時(shí)反饋。鑒于這種現(xiàn)象，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊設(shè)計(jì)就凸顯出其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議定義了一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)［1］。采用基于CC2530 的ZigBee 無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)控制平臺(tái)的運(yùn)行情況。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大勢(shì)下，實(shí)驗(yàn)室的管理和運(yùn)作將朝著更加自動(dòng)化和人性化的方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的需求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為基于嵌入式Web 的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)、基于QtE 界面設(shè)計(jì)的ARM 主控系統(tǒng)以及基于ZigBee 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊。前兩個(gè)模塊是對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的本地化和遠(yuǎn)程化的管理，而平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集和控制由第三模塊實(shí)現(xiàn)。總體架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 基于ZigBee 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊作為系統(tǒng)的一部分，其功能由系統(tǒng)需求而定。以下為具體功能:

1)系統(tǒng)上電后，管理模塊以ZigBee 無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與ARM 主控端的連接。如此避免了布線的麻煩，使系統(tǒng)管理起來(lái)更方便。

2)學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)通過(guò)管理模塊開(kāi)放相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供電。

3)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如有信息反饋，可通過(guò)管理模塊上的輸入設(shè)備(如按鍵)來(lái)發(fā)送反饋信息。

4)管理模塊可以采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳感信息，如溫度、工作電流等，反饋給本地或遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

1.2 無(wú)線通信解決方案

由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)是通過(guò)無(wú)線方式管理具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從成本、構(gòu)建復(fù)雜度等因素考慮，選擇了基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。

構(gòu)建ZigBee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的一種典型的方案是CC2530片上系統(tǒng)和ZigBee 協(xié)議棧(Z-Stack)［2］。CC2530 是德州儀器推出的一款用于IEEE 802.15.4、ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。CC2530 集成了增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，能夠以極低的成本構(gòu)建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使用CC2530 可以很大程度的滿足設(shè)計(jì)要求［3，4］。

2 模塊硬件設(shè)計(jì)

模塊的硬件包含基于CC2530 的協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)兩部分。協(xié)調(diào)器主要與主控ARM 系統(tǒng)通過(guò)串口通訊，實(shí)現(xiàn)控制指令的下發(fā)和采集數(shù)據(jù)的上傳。協(xié)調(diào)器與各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)部分通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的供電控制，采集平臺(tái)工作狀態(tài)、學(xué)生反饋信息等。

2.1 節(jié)點(diǎn)模塊硬件框圖

協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)均由CC2530 作為核心單元，它是基于IEEE 802.15.4、ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。CC2530 采用的是增強(qiáng)工業(yè)級(jí)8051 內(nèi)核，提供了一個(gè)IEEE 802.15.4 兼容無(wú)線收發(fā)器，RF 內(nèi)核控制模擬無(wú)線模塊，提供MCU 和無(wú)線設(shè)備之間的接口［5］。CC2530 最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、天線匹配電路等。

圖2 模塊硬件框圖

2.2 平臺(tái)供電控制電路

圖3 平臺(tái)供電控制電路

如圖3，繼電器的作用是開(kāi)閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源。模塊所選繼電器由5 V 電壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)IO 控制繼電器。當(dāng)IO 輸出高電平，三極管達(dá)到飽和狀態(tài)，集電極和射極導(dǎo)通。導(dǎo)通后二者之間壓差大約為0.2 V，這就使繼電器兩輸入端的電壓約為4.8 V，很接近5 V，完全可以滿足需要。

2.3 信息采集電路

圖4 按鍵及狀態(tài)指示燈電路

按鍵狀態(tài)采集，學(xué)生可通過(guò)按鍵反饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行情況的反饋信息，如圖4。

溫度的采集依靠CC2530 內(nèi)部集成溫度傳感器，可通過(guò)寄存器操作實(shí)現(xiàn)溫度采集。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作電流狀態(tài)的采集采用電流檢測(cè)芯片ACS712 模塊，接入CC2530 的AD 通道實(shí)現(xiàn)。

3 模塊軟件功能設(shè)計(jì)

管理模塊分為協(xié)調(diào)端和節(jié)點(diǎn)終端。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)配置;接收上層實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)過(guò)來(lái)的指令，包括電源控制指令、狀態(tài)信息獲取指令、傳感數(shù)據(jù)采集指令等;與節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)終端的功能則是接收協(xié)調(diào)器指令，對(duì)指令進(jìn)行解析，然后對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作，或?qū)?shù)據(jù)返回給上層協(xié)調(diào)器。

3.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)搭建

ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)選擇星型網(wǎng)絡(luò)可以滿足功能的需要，只需協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)就可實(shí)現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)之后，就可充當(dāng)路由器使用，終端節(jié)點(diǎn)則作為數(shù)據(jù)采集終端。通過(guò)ZigBee 協(xié)議棧，由選擇協(xié)議棧的配置文件設(shè)定設(shè)備類型。系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器自動(dòng)選擇一個(gè)信道，接著選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立后，協(xié)調(diào)器就可進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，充當(dāng)路由器的角色。路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并可輔助其子節(jié)點(diǎn)通信［6］。終端節(jié)點(diǎn)主要功能是數(shù)據(jù)采集，不具有網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能。

3.2 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器軟件具體實(shí)現(xiàn)功能:建立網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。首先存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)端的地址信息，為向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。同時(shí)，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，然后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器也從串口接收上位機(jī)指令，發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的控制。

圖5 是協(xié)調(diào)器程序流程圖。

圖5 協(xié)調(diào)端程序流程

3.3 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能:加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。一方面，終端定時(shí)采集傳感信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器(如圖7)，再由協(xié)調(diào)器傳給上位機(jī)。另一方面，終端也接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的上位機(jī)指令，完成相關(guān)操作。

終端節(jié)點(diǎn)程序具體的工作是接收由協(xié)調(diào)端發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，然后解析指令，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)獲取、開(kāi)閉設(shè)備、啟動(dòng)或停止傳感數(shù)據(jù)采集等操作。另外，終端還可通過(guò)按鍵向協(xié)調(diào)端發(fā)送反饋信息。

終端程序流程圖如圖6。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)主程序流程

圖7 定時(shí)中斷服務(wù)程序流程

4 模塊功能測(cè)試

對(duì)ZigBee 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊的測(cè)試?yán)么谥噶罴瘉?lái)調(diào)控模塊。模塊與ARM 系統(tǒng)依靠串口通信，利用串口指令集進(jìn)行功能調(diào)控，簡(jiǎn)單可靠。

4.1 串口發(fā)送數(shù)據(jù)格式

上位機(jī)串口指令長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6 個(gè)字節(jié)，具體格式定義為:

設(shè)備號(hào)用于區(qū)分向那個(gè)模塊發(fā)送指令，如設(shè)備號(hào)為0x01 時(shí)，就控制對(duì)應(yīng)設(shè)備號(hào)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。需要注意的是，若設(shè)備號(hào)為0xff，表示控制所有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這用于區(qū)分協(xié)調(diào)端發(fā)送數(shù)據(jù)是單播模式還是廣播模式。

自定義命令則是根據(jù)模塊的功能設(shè)計(jì)確定的。以下是部分定義的命令。

測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

串口指令為:0xff 0xaa 0xbb 0x02 0x05 0x23，表示獲取2 號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用狀態(tài)。

串口指令為:0xff 0xaa 0xbb 0xff 0x05 0x23，表示獲取所有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用狀態(tài)。

4.2 串口接收數(shù)據(jù)格式

串口接收到的數(shù)據(jù)也要具有一定的數(shù)據(jù)格式，以便于上位機(jī)提取信息。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度定義為9 個(gè)字節(jié)，具體格式如下:

設(shè)備地址是指數(shù)據(jù)返回終端的網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)地址是一個(gè)16 位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)類型用來(lái)標(biāo)明返回的是哪一類數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)類型值為字符T，表示數(shù)據(jù)位溫度值;若數(shù)據(jù)類型值為字符S，表示數(shù)據(jù)位為設(shè)備使用狀態(tài)值。諸如此類。

測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

串口接收數(shù)據(jù):0x23 0x23 0x02 0x72 0x33 0x54 0x32 0x33 0x26，表示接收到設(shè)備2 的溫度為23℃。其中0x54 為字符T 的ASCII 碼，溫度值以字符的形式顯示。

串口接收數(shù)據(jù):0x23 0x23 0x02 0x72 0x33 0x53 0x00 0x01 0x26，表示接收到設(shè)備2 的使用狀態(tài)信息。0x53 為字符S 的ASCII 碼，數(shù)據(jù)第八位值為0x01，表示設(shè)備正在使用，若為0x00，則表示設(shè)備關(guān)閉。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于CC2530 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)管的弊端，使高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理智能化成為可能，具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。該管理模塊采用CC2530為核心處理器，體現(xiàn)了組網(wǎng)便捷、成本較低、充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，將該模塊接入上位機(jī)即可實(shí)現(xiàn)多功能的、便捷化的監(jiān)控系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的可操作性。

［1］原羿，蘇鴻根.基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004，21(6):89－91.

［2］呂西午，劉開(kāi)華，趙巖.基于ZigBee 的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(5):243－244.

［3］杜煥軍，張維勇，劉國(guó)田.ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，31(10):1617－1621.

［4］任智，李鵬翔，姚玉坤，等.基于分段的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)按需可擴(kuò)展地址分配算法［J］.通信學(xué)報(bào)，2012，33(5):131－137.

［5］Texas Instruments.CC2530:A True System-on-Chip Solution for 2.4GHz IEEES02.15.4/ZigBee［OL］.(2005－09－14).http://www.ti.com/

［6］王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.