楊 碩, 蔡先鋒

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

選煤廠ZigBee無線傳感器的設(shè)計

楊 碩1,2, 蔡先鋒1,2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

基于SOC芯片CC2530硬件平臺，提出選煤廠ZigBee無線傳感器的設(shè)計方案。系統(tǒng)闡述了射頻收發(fā)電路的設(shè)計原理，針對固定節(jié)點的應(yīng)用提出節(jié)能處理方案，并依據(jù)定位算法實現(xiàn)對移動節(jié)點的位置追蹤。隨機重復(fù)試驗測量數(shù)據(jù)表明：ZigBee無線傳感器信號質(zhì)量高、功耗低、定位準確，能夠滿足選煤廠智能監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

ZigBee無線傳感器；固定節(jié)點；移動節(jié)點；定位算法

現(xiàn)代化選煤廠是一個基于多方位因素、多操作環(huán)節(jié)的動態(tài)、復(fù)雜工程系統(tǒng)[1]。在選煤廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器作為工業(yè)現(xiàn)場前端數(shù)據(jù)采集單元，是檢測系統(tǒng)各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行參數(shù)及生產(chǎn)情況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在布線繁瑣、拓展性能差、信號保護性弱等制約因素，在對復(fù)雜工藝的設(shè)備性能和高危作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控中，傳統(tǒng)技術(shù)手段難以得到有效應(yīng)用。為此，基于SOC芯片CC2530硬件平臺，提出ZigBee無線傳感器的設(shè)計方案，通過無線鏈路和靈活拓撲結(jié)構(gòu)，自動采集數(shù)據(jù)并加以分析處理[2]，為選煤廠工控系統(tǒng)無線監(jiān)測體系提供可實現(xiàn)方案。

1 射頻收發(fā)單元設(shè)計方案

1.1 ZigBee 無線傳感器的硬件基礎(chǔ)

設(shè)計中以兼容ZigBee2007協(xié)議的SOC芯片CC2530為硬件基礎(chǔ)，多容量選擇的Flash閃存特點，使CC2530具有在線編程和非易失性存儲器功能。單周期訪問SFR、DATA及主SRAM的模式，完成中斷方式下主動與空閑模式的切換，睡眠與喚醒方式的設(shè)計，實現(xiàn)了無線傳感器的節(jié)能化處理[3]。

1.2 天線的選型

天線是無線通訊的主要部件，用于輻射、接受電磁波。選煤廠結(jié)構(gòu)空間有限，設(shè)備排列密集，如何延長通信距離和保證射頻通路指標質(zhì)量及降低系統(tǒng)功耗成為天線電路選型的關(guān)鍵。通過分析輻射方向圖、增益、帶寬、極化、輸入阻抗、駐波系數(shù)等參數(shù)，結(jié)合ZigBee無線傳感器的特性，決定采用全面輻射方向的倒F天線[4]。

1.3 射頻收發(fā)單元的設(shè)計

基于IEEE802.15.4協(xié)議標準的CC2530，工作范圍在2.4～2 483.6 MHz的2.4G射頻收發(fā)單元[5]，先進的RF收發(fā)器，增強型的8051單片機，可通過點與點之間快速、穩(wěn)定的通信，實現(xiàn)ZigBee工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。射頻單元電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 射頻單元電路結(jié)構(gòu)示意圖

通過芯片引腳22、23和32、33分別連接32 MHz和32.768 kHz石英晶振及兩個電容構(gòu)成的模塊單元晶振電路，為射頻單元提供精準系統(tǒng)時鐘。芯片內(nèi)引腳RF_P和RF_N是一對差分輸入/輸出信號引腳，由于設(shè)計中采用全面輻射方向的倒F天線，故借助分立電容和電感元件構(gòu)成巴倫匹配電路，對收發(fā)信號進行調(diào)整。圖1中L2、L3、C11、C12實現(xiàn)了差分信號與單端信號的轉(zhuǎn)換，并通過L4、L5、C13構(gòu)成的T型電路實現(xiàn)與天線電路的匹配。

1.4 發(fā)射功率的修正

高品質(zhì)的射頻信號質(zhì)量和信號傳輸距離是ZigBee無線傳感器優(yōu)良特性的必要保證。設(shè)計中借助IAR Embedded Workbench集成環(huán)境平臺，調(diào)整Z-Stack協(xié)議棧函數(shù)，修正發(fā)射功率，以增加節(jié)點間通信距離。CC2530片內(nèi)單片機輸出功率寄存器為TXPOWER，功率配置如表1所示。

表1 TXPOWER寄存器配置

協(xié)議棧默認設(shè)置為0XD5，為了擴展信號傳輸距離，將協(xié)議棧mac.radio.c文件下的TXPOWER寄存器值調(diào)整為0XF5，此時相應(yīng)的輸出功率為4.5 dBm。修正程序如下：

void macRadioSetTxPower(uint8 txPower)

{

halIntState_t s;

if(txPower> MAC_RADIO_TX_POWER_MAX_DBM)

{

txPower= MAC_RADIO_TX_POWER_MAX_DBM;

}

HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(s);

reqTxPower = macRadioDefsTxPowerTable[txPower];

HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(s);

/* update the radio power setting */

reqTxPower = 0xF5;

macRadioUpdateTxPower();

}

測試結(jié)果表明：修正后的傳感器節(jié)點單元可實現(xiàn)理論距離75 m以上的有效通信。

2 定點測量節(jié)點的節(jié)能策略

選煤廠ZigBee無線傳感器主要用于監(jiān)控惡劣作業(yè)環(huán)境和設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況，除少數(shù)節(jié)點需要移動巡查外，大部分節(jié)點處于定點測量狀態(tài)，且位于工人無法頻繁接近的惡劣環(huán)境中。由于工況復(fù)雜、設(shè)備載荷高、連續(xù)作業(yè)時間長，必須采取有效措施延長電池供電模式下的網(wǎng)絡(luò)生命周期，以提高傳感器品質(zhì)。

2.1 睡眠模式的切換

設(shè)計中通過Z-Stack 協(xié)議棧函數(shù)定義CC2530內(nèi)睡眠定時器的時間參數(shù)，控制CPU進入睡眠模式，具體控制流程如圖2所示。程序初始化運行進入OSAL操作系統(tǒng)，系統(tǒng)自動查詢定時器時間及中斷觸發(fā)事件，如果中斷觸發(fā)，系統(tǒng)就進入相應(yīng)的中斷事件處理函數(shù)處理中斷，然后節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，睡眠定時器重新計數(shù)。定時器計數(shù)結(jié)束后，睡眠定時器中斷將喚醒終端節(jié)點CC2530，與協(xié)調(diào)器或路由器進行通信，確認網(wǎng)絡(luò)的存在并上傳采集數(shù)據(jù)。

2.2 信標模式的選擇

在ZigBee網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，信標對于傳感器節(jié)點尤為重要。由于終端節(jié)點不需要長時間偵聽信道，故針對不同功能節(jié)點分別采用非信標與信標模式，以節(jié)省能耗。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信標功能實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，實現(xiàn)了最大程度的節(jié)省能耗。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器采用信標模式工作，負責(zé)以一定的時間間隔向網(wǎng)絡(luò)廣播信標幀，激活網(wǎng)絡(luò)中休眠模式終端節(jié)點，采集數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點采用非信標模式工作，節(jié)點在大多數(shù)時間都處于睡眠模式，只在有數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)會話時激活，此時協(xié)調(diào)器為終端節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點主動從協(xié)調(diào)器提取數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了終端設(shè)備的周期性睡眠。

圖2 CC2530片內(nèi)CPU睡眠模式控制流程

3 移動巡查節(jié)點的定位跟蹤設(shè)計

在借助節(jié)點建立的具有一定功能的ZigBee空間網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點位置未知而感知的數(shù)據(jù)沒有應(yīng)用價值，因此通過移動節(jié)點的位置信息確定數(shù)據(jù)采集和中斷發(fā)生的定位功能至關(guān)重要[6-7]。由于定點測量節(jié)點部署的隨機性和易失性等特點，定位方案必須滿足網(wǎng)絡(luò)的自組織性、自愈性和射頻單元收發(fā)功率的健壯性，為此，依靠有限錨節(jié)點位置方案，借助定位算法分析區(qū)域中未知節(jié)點的位置信息。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是二維坐標空間，確定節(jié)點位置信息僅需測量移動節(jié)點到三個錨節(jié)點的距離。假設(shè)錨坐標分別為(x1、y1)，(x2、y2)，(x3、y3)，待定位節(jié)點坐標為(x、y)，該節(jié)點到三個錨節(jié)點的距離分別是S1、S2、S3，根據(jù)二維空間距離計算公式可得到一個非線性方程組，利用線性化方法來求解，即可得到待定位節(jié)點的坐標(x、y)，從而實現(xiàn)節(jié)點定位測量。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中測量節(jié)點間距離或角度的方法包括RSSI、TDOA、AOA、TOA四種[8-10]，其中RSSI和TDOA最常用。RSSI技術(shù)利用已知發(fā)射功率的RF射頻信號測量錨節(jié)點接收功率，通過計算信號的傳播損耗并基于理論信號傳播模型，將傳播損耗轉(zhuǎn)化為實際距離。由于信號傳播模型建模的復(fù)雜性，RSSI作為一種粗糙的測距技術(shù)，測距誤差高達50%。為此，采用TDOA測距技術(shù)確定ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方案。

以路由器為錨節(jié)點協(xié)助移動節(jié)點定位測距，利用射頻RF和超聲波US兩種不同信號到達同一節(jié)點所產(chǎn)生的時間差來確定節(jié)點間的距離?；诩褐男盘杺鞑ニ俣群蛢煞N信號到達節(jié)點的時間差 來計算距離，Δt計算式為：

(1)

由于Vus?Vrf，故式(1)可以簡化為：

d=Vus×Δt，

(2)

式中：Δt為兩種信號到達節(jié)點的時間差，s；d為測量距離，m；Vus為超聲波速度，約為344 m/s；Vrf為射頻速度，約為3×108m/s。

與RSSI技術(shù)相比，TDOA測距技術(shù)測距精度可達到厘米級。利用TDOA測距技術(shù)完成節(jié)點距離的測量后，通過Bounding box計算法計算節(jié)點坐標，原理如圖3所示。

圖3 Bounding box計算法原理圖

4 ZigBee無線傳感器試驗性組網(wǎng)應(yīng)用

針對無線傳感器在選煤廠的應(yīng)用特點，設(shè)計動靜態(tài)節(jié)點并采用簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 動靜節(jié)點試驗測試圖

CC2530片內(nèi)單片機有多路通用IO功能，可將多種傳感器與ZigBee模塊相接，形成具有數(shù)據(jù)采集功能的終端節(jié)點，實現(xiàn)一節(jié)點多種數(shù)據(jù)量的采集。試驗網(wǎng)絡(luò)采用信標模式，終端節(jié)點設(shè)置為休眠狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)指標越過警限值時，喚醒終端節(jié)點，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚庸?jié)點。設(shè)置移動巡檢節(jié)點測試設(shè)備的定位追蹤功能，觸發(fā)中斷事件并向錨節(jié)點發(fā)送定位請求，錨節(jié)點應(yīng)答并啟動定時器，移動節(jié)點發(fā)射RF和US信號，錨節(jié)點接收信號后關(guān)閉定時器并計算實際距離。隨機重復(fù)試驗測量數(shù)據(jù)表明，計算值與測量值誤差保持在0.5 m內(nèi)，滿足選煤廠應(yīng)用的定位精度。

5 結(jié)語

根據(jù)選煤廠實際需求設(shè)計的ZigBee無線傳感器具有測量范圍廣、靈敏度高、信號質(zhì)量強、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，可滿足工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的要求。終端節(jié)點睡眠狀態(tài)下的能耗降低，滿足電池供電需要長時間連續(xù)作業(yè)的要求。信標模式激活休眠節(jié)點僅需15 ms，降低了終端節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時的碰撞概率，提高了信息傳輸?shù)目煽啃浴２捎肨DOA測距技術(shù)，可實現(xiàn)移動節(jié)點的準確定位，為ZigBee無線巡檢技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了一定技術(shù)探索。

[1] 劉 輝.集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)[J].自動化儀器與儀表,2001(5):11-13.

[2] 瞿 雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007:313-347.

[3] 王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:31-35.

[4] 朱 旗，付 侃，李 琰.利用等效模型分析倒F天線[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2005,35 (2):143-148.

[5] 劉 輝，趙麗芬，孫番典，等.基于CC2530的ZigBee射頻收發(fā)模塊設(shè)計[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012(6):452-456.

[6] Zhao Jerry, Govindan Ramesh, Estrin Deborah. Sensor network tomography: Monitoring Wireless sensor networks[J].Computer Communication Review,2002,32(l):64.

[7] Hedetniemi S, Liestman A. A survey of gossiping and broadcasting in communication networks[J].IEEE Networks,1988,18(4):319-349.

[8] Zhu Jian, Zhao Hai, Sun Pei-gang, et al. Equilateral triangle localization algorithm Based on average RSSI[J].Dongbei Daxue Xuebao,2007,28(8):1094-1097.

[9] ZhangYi-heng,Cui Qi-mei, zhang ping, et al. TDOA estimation in the distributed multi-antenna system[J].BeijingYoudian Daxue Xuebao,2007,30(6):18-22.

[10] Duan Kai-yu,Zhang Li-jun. A TDOA/AOA location algorithrn based on kalman filtering Angle of arrival [J].Dianzi Yu Xinxi Xuebao,2006,28(9):1710-1713

Design of ZigBee wireless sensor for coal preparation plant

YANG Shuo1,2， CAI Xian-feng1,2

(1.China Coal Technology and Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2.Coal Washing and Engineering Technology Research Center of Hebei province, Tangshan, Hebei 063012,China)

On the basis of CC2530 hardware of chip SOC, design proposal of Zigbee wireless sensor for coal preparation plant is given, in which design principle of radio frequency transmission circuit is explained as well as a method of energy conservation for fixed node is proposed, with traced position of mobile node based on location algorithm. Random repeated tests show that ZigBee wireless sensor has been able to serve intelligent monitoring system of coal preparation plant well because of the feature of high-quality signal, low power consumption and good positioning.

ZigBee wireless sensor; fixed nodes; mobile nodes; location algorithm

1001-3571(2015)05-0083-05

TD948.9

A

2015-10-12

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.022

中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金項目(2014MS026)

楊 碩(1986—)，男，河北省唐山市人，助理工程師，從事選煤廠自動化設(shè)計工作。

E-mail：yangshuo568@126.com Tel: 18631511918