李志堅，楊 媛

（南京市溧水區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化服務中心，江蘇 南京 211200）

基于ZigBee的航材倉庫監(jiān)測系統(tǒng)電路低功耗設(shè)計

李志堅，楊 媛

（南京市溧水區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化服務中心，江蘇 南京 211200）

文章針對航材倉庫具體物資的實時監(jiān)測問題，設(shè)計了一種基于ZigBee的新型低功耗監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee為傳輸模塊，利用UTC系列無線模塊與開關(guān)電路實現(xiàn)電源的低功耗設(shè)計。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，且具有功耗低，保密性好，抗干擾能力強等優(yōu)點。

ZigBee；航材倉庫；監(jiān)測系統(tǒng)；低功耗

航材倉庫是空軍戰(zhàn)略儲備的基礎(chǔ)，其職能至關(guān)重要。運用科技手段對其進行實時監(jiān)測，對確保物資存儲質(zhì)量，提高使用效能具有重要意義［1］。航材倉庫一般使用器材包裝箱和箱內(nèi)塑料封存袋來保護儲存物資，因此單點監(jiān)測倉庫的整體情況遠遠不夠，需要監(jiān)測系統(tǒng)配備監(jiān)測節(jié)點對每一個物資包裝進行實時監(jiān)測。監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)需及時傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，其特點是近距離、低復雜度、低成本、高保密性、自組織、低功耗等，非常適合用于航材倉庫監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線傳輸［1］。監(jiān)測節(jié)點由于相對分散，只能使用電池供電，這就要求基于ZigBee傳輸?shù)谋O(jiān)測節(jié)點必須實現(xiàn)低功耗運行。

ZigBee技術(shù)通過終端節(jié)點休眠實現(xiàn)低功耗，例如市場廣泛應用的TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，但是在ZigBee終端節(jié)點休眠的情況下，它不會接收與處理上級節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，因此終端節(jié)點也無法通過上級節(jié)點對其進行睡眠喚醒。而如果終端節(jié)點在休眠狀態(tài)下依然能夠接收數(shù)據(jù)，那么節(jié)點其實一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，不會節(jié)省功耗［2］。另一方面，如果使用ZigBee終端節(jié)點使用計時休眠方式運行，則只能在固定時間點將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸出去，無法做到實時查詢監(jiān)測。

因此本文設(shè)計了一種新的基于ZigBee的航材倉庫監(jiān)測系統(tǒng)電路，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗運行，有力的保證了航材倉庫物資儲存的安全。

1　方案設(shè)計

系統(tǒng)主要包括上位機、電源模塊、ZigBee傳輸模塊、監(jiān)測節(jié)點4個模塊，工作流程如圖1所示，當不需要查詢數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，電源模塊不會給ZigBee傳輸模塊與監(jiān)測節(jié)點供電，只有當上位機發(fā)送查詢信號時，才會喚醒電源模塊，電源模塊為ZigBee傳輸模塊與監(jiān)測節(jié)點供電，隨后ZigBee模塊提供維持電源模塊工作信號，監(jiān)測節(jié)點獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸給ZigBee傳輸模塊，由ZigBee傳輸模塊（經(jīng)過路由）發(fā)送給上位機，上位機驗證是否收到準確數(shù)據(jù)，若收到正確數(shù)據(jù)回饋正常信號，否則數(shù)據(jù)重新發(fā)送。上位機可設(shè)置定時模式，定點采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可實時監(jiān)測。當不需要監(jiān)測時，上位機發(fā)送關(guān)閉電源信號，系統(tǒng)重新回到待機狀態(tài)。

圖1　系統(tǒng)工作流程

2　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)上位機由PC機、ZigBee協(xié)調(diào)器與Power-UTC4432無線傳輸模塊組成。UTC是杭州欽泰科技有限公司設(shè)計生產(chǎn)的支持無線喚醒的系列無線傳輸模塊。它共有四種工作模式，如表1所示，通過set_A 和set_B 管腳可實現(xiàn)不同模式的設(shè)置，處于被動喚醒省電模式的模塊平均功耗僅為20uA左右［3］。Power-UTC4432模塊極限通信距離可達5公里，抗干擾能力強，將其設(shè)置為主動喚醒工作模式，可有效實現(xiàn)對航材倉庫內(nèi)處于被動喚醒省電模式的模塊的喚醒。

表1　UTC系列無線模塊四種工作模式

set_A=0，set_B=1喚醒模式主動喚醒模塊處于喚醒狀態(tài)（定時在接收狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間切換）。當有數(shù)據(jù)通過串口輸入時，AUX 腳被置低，并切換到發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，同時發(fā)送長度為一個喚醒周期（如1s）的前導碼特殊喚醒數(shù)據(jù)包。發(fā)送結(jié)束后AUX腳被重新置高并轉(zhuǎn)入喚醒狀態(tài)。處于該模式下，模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時由于有較長的前導碼，接收方處于模式1、模式2 或模式3 均可以接收到數(shù)據(jù)。模塊接收到當前信道中的特定數(shù)據(jù)后，經(jīng)過CRC校驗無誤時，AUX 腳被置低，并立刻從串口輸出數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束后AUX腳被置高。set_A=1，set_B=0省電模式被動喚醒UART 功能關(guān)閉，來降低功耗。接收器會在一個喚醒周期（如1s）后打開，并搜索信道中是否有前導碼，如果沒有則立即進入休眠狀態(tài)等待下一個喚醒周期，如果監(jiān)聽到前導碼則轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，等待同步碼到來后接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過CRC校驗無誤后，置低AUX腳以喚醒下位機，隨后通過串口輸出數(shù)據(jù)。串口傳輸完成后，關(guān)閉串口，置高AUX腳，如果狀態(tài)設(shè)置沒有變化則進入休眠狀態(tài)來等待下一個喚醒周期。set_A=1，set_B=1休眠模式配置模式該模式下，模塊的CPU 主時鐘，射頻電路與外設(shè)都被關(guān)閉，耗電約0.6uA。該模式主要用于配置參數(shù)的設(shè)置。

電源模塊由開關(guān)工作電路與UTC-110L微功率模塊組成，工作電路如圖2所示，UTC-110L微功率模塊設(shè)置為被動喚醒省電模式，當電源模塊未接收到喚醒信號，處于待機狀態(tài)時，圖中AUX引腳輸出高電平，無法為ZigBee傳輸模塊與監(jiān)測節(jié)點供電。當電源模塊接收到喚醒信號，AUX會在一段時間置低，此時，三極管Q2導通，三極管Q1基極獲得高電位，從而導通，將MOS管SI2303門極電位拉低，此時Q3導通，再經(jīng)過穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，電源將為ZigBee傳輸模塊與監(jiān)測節(jié)點供電。

圖2　電源模塊工作電路

ZigBee傳輸模塊包括ZigBee終端節(jié)點與路由節(jié)點，當該模塊開始工作時，由一個引腳輸出高電平，維持三極管Q1導通，從而使ZigBee傳輸模塊與監(jiān)測節(jié)點獲得穩(wěn)定的電源。當模塊接收到關(guān)閉電源信號時，引腳置低，系統(tǒng)回到待機狀態(tài)。監(jiān)測節(jié)點在獲得電源供應后，開始工作，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過串口直接傳輸給ZigBee終端節(jié)點。

3　實驗測試

整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，進行了實驗測試。圖3為上位機中ZigBee協(xié)調(diào)器與Power-UTC4432無線傳輸模塊工作電路板。圖4為電源模塊、ZigBee終端節(jié)點與監(jiān)測節(jié)點工作電路板。電源模塊采用3.3V 的蓄電池供電，蓄電池的總電量為3800mAh，因正常工作時供電要滿足額定工作電壓要求，所以，節(jié)點正常工作時使用的電量約為2100mAh。

圖3　上位機工作電路板

圖4　電源模塊、ZigBee終端節(jié)點與監(jiān)測節(jié)點工作電路板

當系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，測得電源模塊、ZigBee傳輸模塊和監(jiān)測節(jié)點整個待機電流大約30uA。則系統(tǒng)待機工作時間t1為：

即系統(tǒng)可待機70000小時，換而言之系統(tǒng)待機功耗可忽略。

當系統(tǒng)進行測量與傳輸時，監(jiān)測節(jié)點工作電流為30mA，ZigBee傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的瞬時電流29mA，接收數(shù)據(jù)的瞬時電流24mA，完成一次測量消耗的總電流換算為60mA，則系統(tǒng)連續(xù)工作時間t2為：

系統(tǒng)完成一次監(jiān)測過程約15秒，按每小時監(jiān)測4次，即工作1分鐘計算，電源模塊可供系統(tǒng)工作2100小時，約3個月。

4　結(jié)語

電路，采用睡眠喚醒模式采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗運行，延長了蓄電池的使用壽命，將有力地保證航材倉庫物資儲存的安全。

本文設(shè)計的這種新的基于ZigBee的航材倉庫監(jiān)測系統(tǒng)

［1］柏亞林.航材倉庫溫濕度無線自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京：南京大學，2015.

［2］楊朋偉.基于Zigbee的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安工業(yè)大學，2009.

［3］杭州欽泰科技有限公司.無線模塊UTC用戶使用手冊［M］.杭州：杭州欽泰科技，2011.

Design of Low Power Consumption of Air Material Warehouse Monitoring System Based on ZigBee

Li Zhijian， Yang Yuan
（Lishui District of Nanjing Science and Technology Achievement Transformation Service Center， Nanjing 211200， China）

A new low power consumption monitoring system based on ZigBee was designed for the real time monitoring of the material in the aircraft.The system uses ZigBee as the transmission module， and uses the UTC series wireless module and the switch circuit to realize the low power design of the power supply.Test results show that the system is stable and reliable， and has the advantages of low power consumption， good secrecy， strong anti-interference ability and so on.

ZigBee； air material warehouse； monitoring system； low power consumption

李志堅（1988-），男，江蘇鹽城，碩士。