蔣紅娜 王爽 李文華

（中國飛行試驗研究院西安710089）

基于ZigBee技術(shù)的機載無線采集系統(tǒng)的設(shè)計

蔣紅娜 王爽 李文華

（中國飛行試驗研究院西安710089）

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為世界各國的研究熱點，在軍事、國家安全、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生和城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域，它都有廣泛的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)以其低復雜度、低成本、低功耗等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。論文以機載無線采集系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合ZigBee技術(shù)，提出一種適用于機載無線采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案包括系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計兩大部分。

ZigBee技術(shù)；無線采集；傳感器網(wǎng)絡(luò)

Class NumberTP391

1 引言

現(xiàn)有的機載測試領(lǐng)域，傳感器作為最前端的數(shù)據(jù)采集單元，是監(jiān)測飛機試飛過程中各種環(huán)境參數(shù)的組成部分。通常，這些傳感器監(jiān)測到的現(xiàn)場參數(shù)信號通過通訊電纜被傳遞到機上采集系統(tǒng)，再由機上通過遙測的方式傳遞到地面監(jiān)控大廳，進行實時監(jiān)測。隨著參數(shù)量級的劇增，需要監(jiān)測的參數(shù)越來越具有挑戰(zhàn)性。同時采用有線的方式從傳感器端采集數(shù)據(jù)，本身也存在一些弊端，如：安裝成本高，運營和維護不便；安裝位置相對固定，難以適用于位置相對不固定的移動目標的監(jiān)測；組網(wǎng)形態(tài)單一等。

基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］，具有以下優(yōu)點：布線方便，成本低；具有自組網(wǎng)特點，單個節(jié)點故障不會導致系統(tǒng)的癱瘓；功耗低，傳感器節(jié)點可以采用電池供電?；赯igBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和開發(fā)在機載測試領(lǐng)域的無線傳感器采集系統(tǒng)的應(yīng)用可以較好地解決上述問題。

2ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一種低速率、低功耗、短距離無線接入技術(shù)，是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee無線協(xié)議可實現(xiàn)低復雜性、減縮的資源要求，并且提供了一組標準的規(guī)范。它提供了三個工作頻帶：868MHZ，915MHZ和2.4GHZ，同時具備可選的安全功能，是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標準無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

ZigBee技術(shù)的顯著優(yōu)點為低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［2，4］。

1）低速率

ZigBee共有3個不同的工作頻段，工作頻段不同其數(shù)據(jù)傳輸速率也不同，但都處于較低的速率。在2.4GHz頻段，有16個信道，速率為250kbps；在915MHz頻段，有10個信道，速率為40kbps；而在868MHz頻段，有1個信道，速率為20kbps。

2）低成本

ZigBee協(xié)議棧相對Wi-Fi、藍牙要簡單很多，因此它可以采用8位單片機和小規(guī)模的存儲器，降低了器件成本。另外，由于ZigBee技術(shù)使用全球免費的ISM（Industrial，Scientific and Medical）頻段，因此降低了研發(fā)和生產(chǎn)成本［5］。

3）低功耗

節(jié)點在工作時，因為ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸信息量很小，因此信號的收發(fā)時間短；而在非工作模式時，ZigBee節(jié)點總處于休眠模式。通常ZigBee節(jié)點的電池的工作時間可達6～24個月［3］。

4）自配置

在一定的傳輸距離內(nèi)，ZigBee通過協(xié)調(diào)器可以自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA/CA方式進行信道接入，而其它節(jié)點設(shè)備可以隨時加入或退出網(wǎng)絡(luò)，因此它是一種自組織、自配置的模式。

5）抗干擾性能好

ZigBee技術(shù)有較強的抗干擾能力，它可以與紅外線、藍牙、Wi-Fi等無線通信技術(shù)共存。盡管ZigBee技術(shù)的調(diào)制方式比較簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率低，但ZigBee網(wǎng)絡(luò)在2.4GHz的ISM頻段有較好的抗干擾性能［6～7］。

6）短時延

ZigBee的通信時延及從休眠模式激活的時延都很短。典型的休眠激活的時延是15ms，搜索設(shè)備的時延是30ms，所以ZigBee技術(shù)適合應(yīng)用在對時延要求苛刻的控制系統(tǒng)中。

7）可靠的數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee的媒體接入控制層（Media Access Control，MAC）采用載波監(jiān)聽多址/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）接入算法，避免了數(shù)據(jù)發(fā)送的沖突和競爭。MAC層支持有確認模式的數(shù)據(jù)傳輸，它要求發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都要等待接收方的確認信息。

8）大容量網(wǎng)絡(luò)

一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可由255個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，其中有一個為主設(shè)備，其余為從設(shè)備。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡(luò)最多可包括超過64000個ZigBee節(jié)點，各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器又可相互連接，因此整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量將會非?？捎^。

9）安全性高

ZigBee使用循環(huán)冗余校驗（Cyclical Redundancy Check，CRC）來校驗數(shù)據(jù)包的完整性，支持鑒權(quán)和認證，且在傳輸數(shù)據(jù)的過程中提供了三級安全處理，其中第三級采用了高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES-128）的對稱密碼［8］。

ZigBee技術(shù)的主要特征如表1所示。

表1ZigBee技術(shù)的主要特征

3 ZigBee協(xié)議棧

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要進行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（包括MAC層、路由、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等），傳統(tǒng)的無線協(xié)議很難適應(yīng)低成本、低功耗、高容錯性等要求，這種情況下，ZigBee協(xié)議應(yīng)運而生。ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上一層提供一組特定的服務(wù)：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個管理實體提供全部其它的服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。IEEE802.15.4—2003［3］標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和由制造商制定的應(yīng)用對象。

4 基于ZigBee的機載無線采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常由三個節(jié)點構(gòu)成：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點也被稱為終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器用于創(chuàng)建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配地址，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只需一個協(xié)調(diào)器；路由器具有路由功能，用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；終端設(shè)備用于周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)。本文所設(shè)計的基于ZigBee的機載無線測試網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個終端設(shè)備組成［3］。其系統(tǒng)組成框圖如圖2所示［9］。

4.2 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括：CC2530微控制器模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、通信接口模塊、編程與調(diào)試模塊等。

采用德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的CC2530作為本系統(tǒng)的核心器件。該芯片是一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，建立在IEEE802.15.4標準協(xié)議之上，具有優(yōu)秀的接收器靈敏度和強抗干擾性。CC2530芯片大致由三部分組成：CPU和內(nèi)存相關(guān)模塊，外設(shè)、時鐘和電源管理相關(guān)模塊，無線電相關(guān)模塊。電源轉(zhuǎn)換模塊將28V直流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3.3V電壓，以供CC2530芯片工作。協(xié)調(diào)器節(jié)點與PC機通過485串口連接，通過上位機軟件實時監(jiān)測傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息。

4.2.1CC2530微控制器模塊設(shè)計

微控制器模塊是整個系統(tǒng)信息采集和傳遞的核心部分，本系統(tǒng)中選用CC2530作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的射頻芯片。該射頻芯片包括一個高性能的2.4 GHz直接序列擴頻的射頻收發(fā)器和一個高性能、低功耗的8051微控制器核，不僅僅能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對低成本、低功耗的要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效處理。

圖3是CC2530微處理器模塊的電路圖。協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)成功，隨后傳感器節(jié)點入網(wǎng)。傳感器節(jié)點周期性地采集數(shù)據(jù)信息，通過無線射頻模塊發(fā)送出去。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過無線射頻模塊接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息；通過外接32M晶振，以滿足無線通信的高速率要求。

4.2.2 電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

CC2530的工作電壓在3.3V，機上通常電壓為28V直流，采用LM2936電源芯片將電壓控制在3.3V，電源轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖4所示［10～11］。

4.2.3 通信接口模塊設(shè)計

通信接口模塊采用MAX3485芯片，用于RS485通信的低功耗收發(fā)。為了提高接口電路的抗干擾能力，在MAX3485的A、B引腳之間并接一個電阻。利用CC2530的P2.0對MAX3485芯片進行收發(fā)控制。

5 基于ZigBee的機載無線采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

硬件設(shè)計只能完成物理層的一些功能，而物理層以上的功能需要借助軟件來完成。本系統(tǒng)采用IAR作為軟件開發(fā)平臺，采用TI公司開發(fā)的Z-Stack作為ZigBee的協(xié)議棧。

5.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，ZDO層首次進行一系列的初始化工作，然后調(diào)用ZDO層的初始化設(shè)備函數(shù)，最終觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)，開始構(gòu)建一個新的網(wǎng)絡(luò)。建立網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器節(jié)點首先逐個對各個信道進行掃描，根據(jù)各個信道的能量值進行排序，選擇能量值達到一定大小的信道為可用信道。其次，由網(wǎng)絡(luò)層在可用信道中選定信道，并隨機選擇一個在所選信道中唯一的16位網(wǎng)絡(luò)標識符（PANID）分配給這個新建的網(wǎng)絡(luò)［8］。協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計流程圖如圖5所示［12］。

5.2 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

終端采集節(jié)點上電以后進行設(shè)備初始化，然后檢測周圍是否有網(wǎng)絡(luò)存在，當發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在時，網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDA層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)反饋信息，然后由網(wǎng)絡(luò)層向能量強度相對較大的網(wǎng)絡(luò)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請求；加入網(wǎng)絡(luò)成功，則網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDA層加入網(wǎng)絡(luò)反饋。成功加入網(wǎng)絡(luò)之后開始向協(xié)調(diào)器發(fā)出綁定請求，綁定成功后開始對光照數(shù)據(jù)進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)進行預處理并無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器終端采集節(jié)點軟件流程圖如圖6所示。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)采用低功耗、低成本的CC2530組建的基于ZigBee無線采集系統(tǒng)實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)可靠安全的傳輸，星型拓撲的節(jié)點設(shè)計能夠?qū)θ我馕恢玫膫鞲衅鲾?shù)據(jù)進行采集。整個系統(tǒng)不僅應(yīng)用到低功耗的元器件，減少了設(shè)計的成本，增加使用的壽命。經(jīng)過各個模塊之間的友好工作，最終主模塊把采集好的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，在上位機進行顯示和處理，方便實時監(jiān)測。本系統(tǒng)為機載測試中不易布線區(qū)域的監(jiān)測提供一個很好的模型，其成本低、功耗低、復雜性低，具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of Airborne Wireless Acquisition System Based on Zigbee Technology

JIANG HongnaWANG ShuangLI Wenhua
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089）

At present，the wireless sensor network（WSN）has become a research focus all over the world，in the military，national security，traffic management，health care and urban informatization construction，and other fields，it has been widely used.ZigBee technology for its advantages of low complexity，low cost，low power consumption，is widely used in wireless sensor network.Based on the airborne wireless acquisition system as the research object，combined with ZigBee technology，a kind of suitable for airborne wireless acquisition system design scheme is put forward，the scheme includes the system hardware design and software design of two parts.

ZigBee technology，wireless acquisition，sensor network

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.027

2016年12月17日，

2017年1月23日

蔣紅娜，女，工程師，碩士研究生，研究方向：飛行試驗測試系統(tǒng)標定及技術(shù)成熟度。王爽，女，助理工程師，

研究方向：機載測試產(chǎn)品技術(shù)。李文華，女，工程師，研究方向：機載測試產(chǎn)品技術(shù)。