曾德智，周華堅，羅衡峰（.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州5060；.惠州市中心人民醫(yī)院 廣東 惠州5600）

基于Zigbee的儀器設備智能管理終端的設計與實現(xiàn)

曾德智1，周華堅2，羅衡峰1
（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州510610；2.惠州市中心人民醫(yī)院 廣東 惠州516001）

基于當前設備管理系統(tǒng)僅局限于資產管理且管理效率低下的現(xiàn)狀，為促進儀器設備的科學管理。作者提出了一種通過計量儀器設備電能來判定儀器設備使用狀態(tài)的方法?；谠摲椒ǎO計并實現(xiàn)了基于zigbee的設備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大的提高了儀器設備的管理效率，促進了儀器設備的科學管理；文章詳細介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設計，最后總結全文并提出與RFID資產管理系統(tǒng)的協(xié)同工作的展望。

ZigBee；儀器設備管理；電能計量；開關機狀態(tài)

目前科研院所、醫(yī)院、高等院校、制造業(yè)企業(yè)等需要大量使用儀器設備的機構，儀器設備管理現(xiàn)狀令人擔憂，很多單位存在著大量儀器設備閑置、責任人不明確、無法定位儀器設備、管理者對單位的儀器設備使用情況全然不知等問題，這樣的現(xiàn)狀很大程度上影響著管理效率及單位信息化程度的高低。為此本文設計與研發(fā)的設備管理系統(tǒng)能夠實時的監(jiān)測和瀏覽各個設備的開關機狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、責任人，還能統(tǒng)計設備的開機率。

1 系統(tǒng)的整體的架構

系統(tǒng)由3部分構成，底層的感知終端節(jié)點、通信網(wǎng)關、設備管理軟件；其中底層感知終端節(jié)點負責監(jiān)測設備的開關機狀態(tài)等信息，每臺儀器設備都安裝一個感知終端節(jié)點，節(jié)點間通過ZigBee通信，放置儀器設備的房間的節(jié)點就是一個自組網(wǎng)的ZigBee無線傳感網(wǎng)（WSN）。

通信模塊負責終端與設備管理軟件系統(tǒng)之間的通信，這里的通信模塊是指WSN和以太網(wǎng)的網(wǎng)關。每個WSN都有一個協(xié)調器節(jié)點，在協(xié)調器上安裝串口轉以太網(wǎng)網(wǎng)關就能實現(xiàn)WSN和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換[1]。

設備管理軟件可以實時瀏覽設備的開關機狀態(tài)，開機率，責任人等設備狀態(tài)信息。設備管理軟件可以幫助管理者實時的了解單位所有儀器設備的實時狀態(tài)，實現(xiàn)儀器設備的科學管理。

2 設備管理終端硬件設計

設備管理終端是整個系統(tǒng)的核心，終端由8個部分組成，分別是：電能計量模塊、電源模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、ZigBee模塊、存儲模塊、時鐘模塊、處理器模塊，電源插頭插座。電能計量模塊通過計量設備使用的電能情況來判斷設備的開關機狀態(tài)，因為每臺設備在待機和正常運行時都有一個功率區(qū)間段，通過對一小段時間的使用電能計量，可以判斷這個時間段內設備的運行狀態(tài)（關機、開機啟動中、正常運行中、待機中）；電源模塊的作用是給嵌入式系統(tǒng)供電，環(huán)境參數(shù)采集模塊負責采集工作環(huán)境的溫度和濕度；ZigBee模塊負責節(jié)點間的通信；存儲模塊負責保存設備的單位時間的用電量、設備的用電量等信息、設備的開關機時間；時鐘模塊給系統(tǒng)提供準確的實時時間。終端的硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

圖2 設備管理終端硬件設計

2.1 電能計量模塊硬件電路設計

系統(tǒng)選用美國 ADI公司的高精度電能計量 IC：AD7755，AD7755的技術指標超過了IEC1036規(guī)定的準確度要求[2]，而且AD7755只在ADC和基準源中使用模擬電路，其他信號處理電路都采用數(shù)字電路，所以AD7755在惡劣的環(huán)境下仍能保持較高準確度和長期穩(wěn)定性[3]。電能計量模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 電能計量模塊硬件電路設計

2.2 ZigBee通信模塊與處理器模塊

美國Ti公司的芯片CC2530是一款卓越的ZigBee SOC解決方案，該芯片問世后在國內高校和企業(yè)掀起了一股ZigBee技術應用的熱潮。CC2530是一款集成了工業(yè)增強級的8051單片機內核、在線可編程存儲器以及領先業(yè)界的射頻收發(fā)器的處理器。CC2530功耗非常低，可運行在多種模式下，不同的運行模式可在極短時間內切換，更加保證其低功率消耗[4]。CC2530硬件資源豐富，集成5通道DMA功能、IEEE802.15.4 MAC定時器和3個通用定時器、32千赫茲的睡眠定時器 （帶捕獲功能）、IR發(fā)生電路[5]、支持RSSI（數(shù)字化的接收強度指示器）/LQI（鏈路質量指示）、溫度傳感器和電池監(jiān)視器、12位可配置ADC（8路輸入）[6]、AES安全協(xié)處理器、兩個支持RS232和RS485串行通信協(xié)議的串行通信接口[7]、21個通用I/O、看門狗定時器?；贑C2530的上述特點，本文選擇其作為射頻收發(fā)芯片，同時作為整個嵌入式終端的處理器。這樣極大的節(jié)約成本同時提高系統(tǒng)可靠性。圖4是CC2530的外圍電路設 計圖。

圖4 ZigBee通信模塊電路設計

2.3 存儲模塊和時鐘模塊

基于對系統(tǒng)穩(wěn)定性以及成本的考慮，本系統(tǒng)選用美國DALLAS公司推出的實時、低功耗且具備涓電流充電能力的時鐘IC：DS1302。DS1302可對年月日到時分秒時間單位進行計時，還具備閏年補充功能。DS1302外圍電路設計簡單，引腳X1，X2用來連接晶振，此處選用32.768 kHz的晶振，起振電容采用6PF的瓷片電容；片選引腳CE連接電源VCC，時鐘引腳和I/O引腳連接單片機的I/O接口；VCC1連接電源VCC，VCC2接入紐扣電池電路正極；出于對系統(tǒng)所需的存儲空間大小、占用硬件資源多少、成本等3方面的綜合考量，選擇AT公司的EEPROM芯片：AT24C16作為存儲IC，AT24C16提供16384位EEPROM，組織形式為2048字×8位字長。AT24C16外圍電路設計簡單，VCC和寫保護WP直接連接電源VCC；時鐘接口SCL和數(shù)據(jù)接口SDA直接連接單片機I/O口。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

文中的環(huán)境參數(shù)采集，包括溫度和濕度采集，根據(jù)高精度和高可靠性、節(jié)約硬件資源以及降低成本的原則，濕度傳感器采用數(shù)字式濕度傳感器DHT11，溫度傳感器采用DS18B20。兩種傳感器都只有三個引腳，1個VCC，1個GND，1個數(shù)據(jù)接口DQ。這樣可以極大的節(jié)省IO資源。傳感器數(shù)據(jù)接口在與處理器連接時，需加上上拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件主流程圖

智能終端的主程序如圖5所示：系統(tǒng)首先上電并初始化，然后設置設備的計量參數(shù)（設備的工作電壓電流以及功率等參數(shù)），之后啟動溫濕度數(shù)據(jù)采集程序以及啟動電能計量程序，電能計量程序啟動后，就能實施開機統(tǒng)計、開機率統(tǒng)計以及關機狀態(tài)判斷等工作，最后開啟數(shù)據(jù)傳輸模塊，能實時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的主流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序設計

3.2 ZigBee節(jié)點通信程序設計

3.2.1 協(xié)調器程序設計

新建網(wǎng)絡由ZigBee協(xié)調器設備負責，ZigBee協(xié)調節(jié)點首先掃描信道，尋找空閑信道，創(chuàng)建新的網(wǎng)絡。如果探測到空閑的信道[8]，協(xié)調器會為新構建的網(wǎng)絡選擇一個在信道中唯一的PAN標識符。PAN標識符一旦確定，說明以PAN標示的網(wǎng)絡已經存在，如果有新的協(xié)調器節(jié)點掃描該信道，該協(xié)調器就會發(fā)出響應，聲明該網(wǎng)絡已經存在，請掃描其他信道[9]。此外，該ZigBee協(xié)調器節(jié)點還將選擇長度為2個字節(jié)的網(wǎng)絡地址[10]。ZigBee網(wǎng)絡的所有節(jié)點都會有兩個地址，一個是長度為8字節(jié)的IEEE擴展地址，另一個是長度為2字節(jié)的網(wǎng)絡地址，該地址是全網(wǎng)唯一的，802.15.4協(xié)議的MAC短地址就是它[11]。

ZigBee的協(xié)調器節(jié)點在確定16位的網(wǎng)絡地址后，一個新的網(wǎng)絡就已經存在，然后開始允許接受其他節(jié)點加入該網(wǎng)絡[12]。如果一個新的節(jié)點要加入到該網(wǎng)絡，該節(jié)點首先通過掃描信道，探測該網(wǎng)絡周圍的其他網(wǎng)絡，如果找到了一個網(wǎng)絡，與該網(wǎng)絡中具備路由器功能的節(jié)點進行關聯(lián)，然后加入網(wǎng)絡。如果網(wǎng)絡節(jié)點斷開與該網(wǎng)絡的連接后，想要重新加入網(wǎng)絡，可以通過進行孤立通知再度加入該網(wǎng)絡；網(wǎng)絡中的路由器節(jié)點，均負責維護一張路由發(fā)現(xiàn)表和路由表，能參加路由發(fā)現(xiàn)與維護、轉發(fā)數(shù)據(jù)包以及關聯(lián)其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，ZigBee協(xié)調器的工作流程圖如圖6所示。

圖6 協(xié)調器程序設計

3.2.2 路由器程序設計

路由器能為終端節(jié)點轉發(fā)消息，連接協(xié)調器和終端節(jié)點，使得同類型節(jié)點和不同類型節(jié)點間能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[13]。路由器設備上電初始化節(jié)點后，首先就是選擇信道尋找網(wǎng)絡，路由器向外發(fā)送數(shù)據(jù)包，在路由器收到協(xié)調器響應后，就記錄下該協(xié)調器的MAC地址，并向該地址發(fā)送一個加入請求數(shù)據(jù)包，如果收到來自協(xié)調器的確認幀，那么路由器就繼續(xù)向該協(xié)調器發(fā)送一個請求分配地址的數(shù)據(jù)包[14]，當?shù)玫絹碜詤f(xié)調器的含有短地址的包后，就把該地址配置為自己的短地址，利用這個短地址就能和協(xié)調器進行通信了，也就表示路由器己經成功加入到了網(wǎng)絡中[15]。路由器的工作流程圖如圖7所示。

3.3 電能計量模塊程序設計

系統(tǒng)上電后開始初始化過程，設置T1為外部計數(shù)方式，對AD7755輸出的頻率信號進行計數(shù)。T1設置為內部定時功能，當計時一段時間后，就產生中斷，把T1的計數(shù)值讀入CPU，并計算累計的電量，寫入存儲器。計量模塊的程序流程如圖8所示。

圖7 路由器程序設計

圖8 電能計量模塊程序設計

4 結束語

文中所設計的儀器設備智能管理終端是基于CC2530的嵌入式系統(tǒng)，終端能夠采集儀器設備的實時工作電壓和電流以及工作環(huán)境的溫濕度，通過對信息的分析和處理，實現(xiàn)開關機狀態(tài)的判定、開關機次數(shù)統(tǒng)計等功能；數(shù)據(jù)處理完畢后，終端能通過無線傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)實時發(fā)送給上位機供管理者實時瀏覽查看儀器設備的使用情況。本終端可增加RFID模塊，與RFID資產管理系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)儀器設備的位置信息、責任人以及儀器設備的使用情況等信息的綜合管理，進一步提高儀器設備管理智能化和企業(yè)信息化程度。

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Design and implementation of intelligent management terminal for instrument and equipment based on ZigBee

ZENG De-zhi1，ZHOU Hua-jian2，LUO Heng-feng1
（1.The Fifth Research Institute of Miit，Guangzhou 510610，China；2.HuiZhou Municipal Central Hospital，Huizhou 516001，China）

Based on the current equipment management system is limited to the current situation of asset management and low management efficiency，to promote the scientific management of equipment.The author presents a method to determine the state of use of the instrument and equipment by measuring the electrical energy of the instrument.Based on this method，the equipment management system based on ZigBee is designed and implemented.The system greatly improves the management efficiency of equipment，and promote the scientific management of instrument and equipment；the article describes in detail the hardware and software design of the system，finally summarizes the full text and proposed with the expectation of RFID asset management system of collaborative work.

ZigBee；instrument and equipment management；electric energy measurement；switch machine status

TN99

A

1674－6236（2017）07-0031-04

2016-05-06稿件編號：201605049

曾德智（1988—），男，土家族，湖南常德人，碩士研究生，工程師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計、信息安全。