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本文作者：蘇和平郗仲平作者單位：天水師范學院

Xbeeproseries2模塊簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡技術(shù)，最初應用于傳感器之間的近距離無線連接，它基于IEEE802.15.4協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊類似的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信；每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡連接。通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用Zigbee技術(shù)做無線傳輸：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多；要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設備成本低；要求數(shù)據(jù)傳輸可性高，安全性高；設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；電池供電；地形復雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡覆蓋；現(xiàn)有移動網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū)；使用現(xiàn)存移動網(wǎng)絡進行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)。Xbeeproseries2模塊是美國DIGI公司基于Zigbee技術(shù)，專為超遠程，低數(shù)據(jù)傳輸率，高可靠性，低功耗應用而設計的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，在工業(yè)自動化控制及電力配電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用，該模塊主要性能如下：工作頻率2.4G,通訊距離1.6公里（明視距離），發(fā)射功率100mW(20dBm)，發(fā)射狀態(tài)電流295mA(@3.3V)，接收狀態(tài)電流45mA(@3.3V)，接收靈敏度-102dBm，RF數(shù)據(jù)傳輸率250,000bps，兼容TTL電平的異步通訊接口，模塊可工作于基于AT命令的透明傳輸模式和基于幀結(jié)構(gòu)的API傳輸模式。在由一定數(shù)目的模塊構(gòu)成的Zigbee網(wǎng)絡中，必須指定一個模塊為協(xié)調(diào)器才能啟動該網(wǎng)絡，其余模塊可根據(jù)其在網(wǎng)絡中的作用分別設定成路由器或設備終端，被稱為路由器的模塊具有中繼功能?？赏ㄟ^DIGI公司X-CTU軟件將模塊方便地設置成協(xié)調(diào)器、路由器或設備終端。每一模塊具有一個64位（8字節(jié)）唯一地址和16位（2字節(jié)）網(wǎng)絡地址，模塊之間的所有數(shù)據(jù)的傳輸都依賴于唯一地址或網(wǎng)絡地址。被定義為協(xié)調(diào)器的模塊，其網(wǎng)絡地址為0x0000。API方式可高效率傳輸數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀格式如圖1。起始標志表示一幀的開始，數(shù)據(jù)長度占兩字節(jié)，以字節(jié)為單位標識幀數(shù)據(jù)的長度（不包含數(shù)據(jù)長度及校驗和字節(jié)），校驗和=0xFF－幀數(shù)據(jù)逐字節(jié)相加后取低8位值。API標識代碼標識API幀數(shù)據(jù)特性，其具體意義表示如表1。由API標識代碼決定了API幀數(shù)據(jù)的組成，最常用的API標識為0x10和0x90。其幀數(shù)據(jù)的組成如圖2、圖3。將16進制數(shù)據(jù)“0x010x020x030x04”發(fā)送到地址為“0013A20040552B10”的模塊的API數(shù)據(jù)包為：“0x7E，0x00，0x12，0x10，0x00，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x55，0x2B，0x10，0xFF，0xFE，0x00，0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x63”。一個典型的API數(shù)據(jù)接收包為：“0x7E，0x00，0x10，0x90，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x3A，0x5B，0x97，0x03，0xD3，0x00，0x74(T)，0x65(E)，0x73(S)，0x74(T)，0xB8”，它表示的意義是：該數(shù)據(jù)為一個API接收包，包的數(shù)據(jù)長度為16字節(jié)，該包由地址為“0013A200403A5B97”的模塊發(fā)出，數(shù)據(jù)內(nèi)容為“test”。該模塊被封裝成20腳雙列直插結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)構(gòu)成及功能

系統(tǒng)由傳感器終端，具有中繼功能的路由器和報警主機三部分構(gòu)成。通過基于Zigbee技術(shù)的Xbeeprose-ries2模塊組成的個域網(wǎng)（PAN）將其聯(lián)系起來。傳感器終端負責檢測列車到來信號并以報警主機的64位模塊地址為目標地址發(fā)送信息到報警主機，主機接收到列車到來信號后，用聲光方式告知工作人員，并對報警開始時間和確認時間進行記錄存儲。考慮到本系統(tǒng)在單線的應用，主機可同時工作于上行和下行兩個通道。在現(xiàn)場使用中遇到山包、隧道、強干擾導致通訊距離不夠時，可在適當?shù)牡胤皆黾勇酚善鞅ＷC通訊的暢通，為了現(xiàn)場的使用方便，傳感器終端、路由器及報警主機都進行了低功耗設計，對體積和重量采用最優(yōu)化處理，傳感器終端和路由器可工作在實驗和運行兩種狀態(tài)，實驗狀態(tài)主要是拉距離時可從訊響器的聲音知道通信是否正常，這點對于決定路由器及傳感器的放置點非常方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

系統(tǒng)的硬件電路設計

1報警主機

報警主機作為報警網(wǎng)絡的服務器協(xié)調(diào)與其它模塊的通訊，主要功能如下：⑴在開始布區(qū)時，接收路由器或傳感器終端發(fā)來的tset信號，并發(fā)送應答信號；接收到路由器或傳感器終端的運行信號后，若該報警器主機是第一次應用或是在網(wǎng)絡復位情況下應用，則路由器或傳感器終端在由test狀態(tài)切換到運行狀態(tài)時將該節(jié)點的64位模塊地址依照其實驗順序進行記錄，以供以后定位通訊故障做依據(jù)。當檢測到上述狀態(tài)的切換是傳感器終端發(fā)出的，該路由布區(qū)狀態(tài)進入監(jiān)控報警狀態(tài)。⑵在監(jiān)控報警狀態(tài)，當檢測到傳感器終端發(fā)來的列車到來信號后，啟動高分貝訊響器及高亮度發(fā)光管報警，并記錄列車到來的日期時間，報警時間持續(xù)到確認鍵按下結(jié)束。在沒有列車到來信號時，報警主機每5秒給傳感器終端發(fā)送一次心跳信號并等待返回信號，如果收到返回信號，表示通信鏈路正常，否則，查詢是哪個路由器節(jié)點通訊不正常，最終在顯示屏上顯示出來并以聲光信號報警。⑶存儲5000點的報警數(shù)據(jù)，可在主機液晶屏上查詢。⑷報警主機的硬件結(jié)構(gòu)框圖如5所示，考慮到系統(tǒng)運行在μC－OSⅡ，微控制器選用C8051F340，由于它內(nèi)嵌64K程序存儲器和4KRAM及豐富的外設功能，僅需少量的外部芯片即可滿足設計要求，和無線模塊的通訊用UART0，顯示單元用PCF8576驅(qū)動字段式液晶屏，時鐘電路芯片選用PCF8583，AT24C1024用來存儲報警點數(shù)據(jù)，它們都通過C線和微控制器交換數(shù)據(jù)。圖5報警主機框圖電源管理單元主要完成系統(tǒng)中電源的調(diào)理，內(nèi)容包括對單節(jié)鋰電池的穩(wěn)壓和12V升壓，系統(tǒng)主電路所需電壓為3.3V，為了盡可能的提高電池的利用率，選用了壓差為140mV的TC1262低壓差穩(wěn)壓器為系統(tǒng)的主穩(wěn)壓器。升壓用DC/DC變換器，給報警單元提供足夠的功率保證有一定的響度。⑸報警單元受微控制器和主機監(jiān)控電路的雙重控制，主機監(jiān)控電路由X25045芯片完成，當報警主機系統(tǒng)正常工作時，每隔一定時間會發(fā)出一個脈沖對芯片中的看門狗定時器復位，芯片輸出低電平，當報警主機系統(tǒng)有問題時，將導致芯片相應管腳輸出高電位驅(qū)動訊響器發(fā)聲。

2傳感器終端

傳感器終端主要完成對列車到來的信號的檢測，并將該信號進行抗干擾處理，通過無線模塊發(fā)送到報警主機。列車到來信號的拾取采用金屬探測器原理，即利用路軌上安裝金屬探測模塊，當列車車輪掃過探測器表面時輸出一個低電平信號給微控制器。為了提高可靠性，采用兩個金屬探測模塊并行工作的方式，防止單一傳感器故障時漏報信號，當其中一個探測模塊有問題時，除了給報警主機發(fā)送列車到信息外，同時還發(fā)送相關(guān)探測模塊故障信號。探測器和傳感器終端用纜線連接，為防止纜線拉斷故障，專門在纜線中設置一根閉合導線（圖6中纜線c、d），由M_CHECK信號標志纜線連接是否正常。探測模塊與傳感器終端的連接見圖6，SIG1、SIG2信號送入傳感器終端的微控制器進行處理。傳感器終端的微控制器仍用C8051F340，內(nèi)嵌DC/DC升壓模塊提供6V電壓給金屬探測模塊供電，電原理框圖如圖7。

3中繼路由器

模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖8，它主要由微控制器、Zigbee模塊和電源管理模塊構(gòu)成。在系統(tǒng)中主要作為中繼模塊使用。和傳感器終端一樣，它同樣工作在試驗和運行兩種狀態(tài)，拉距離在試驗狀態(tài)，正常工作在運行狀態(tài)。

軟件設計

考慮到應用程序工作于實時操作系統(tǒng)μC－OSⅡ，軟件編程要對基于C8051F340上運行μC－OSⅡ進行移植，根據(jù)系統(tǒng)組成，相應軟件可分為報警主機軟件，中繼路由軟件，傳感器終端軟件。

1報警主機軟件

類似于服務器軟件，除了對路由節(jié)點、傳感器終端進行管理外，還要分別對報警主機顯示、鍵盤輸入、報警信號提示、報警數(shù)據(jù)管理等實時響應，考慮到應用的高可靠性，對通訊鏈路的工作狀況實時監(jiān)測，其方法是在系統(tǒng)進入正常報警狀態(tài)后，每隔5秒鐘由報警主機發(fā)送心跳信號給上下行傳感器終端，傳感器終端接到報警主機的心跳信號后返回相應的應答信號，主機收到應答信號表示通信鏈路正常，否則，主機會按照布區(qū)的路由器和傳感器終端的順序依次進行查詢，最終找到不能通訊的節(jié)點，并在顯示屏上提示和產(chǎn)生相關(guān)的報警聲，對節(jié)點的查詢也可手工查詢，內(nèi)容包括通訊鏈路是否正常，節(jié)點電池剩余電量等。主機可存儲5000組報警數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括報警時的日期時間和報經(jīng)確認的日期時間，這些數(shù)據(jù)可通過主機鍵盤操作查詢，為了快速查詢，除定義了普通上下翻頁鍵外，還定義了一個×10鍵提高查詢速度，主機報警數(shù)據(jù)不能由用戶刪除，5000條記錄滿后，新的報警數(shù)據(jù)將會覆蓋早先的舊數(shù)據(jù)。報警主機的主要程序流程如圖9。圖9報警主機程序流程圖

2中繼路由軟件

此部分軟件功能單一，僅包含兩個內(nèi)容，⑴、完成對主機查詢的響應；⑵、在自身電量不足時主動發(fā)信息到主機，主機返回一個應答信號完成此次信息的傳送，當收不到主機的應答信號時，則重發(fā)信息到主機直至主機應答。程序流程如圖5。

3傳感器終端軟件

由該終端所承擔的任務，決定了軟件所要實現(xiàn)的目的如下：⑴、檢測金屬探測模塊是否有輸出信號，若有信號輸出，還要區(qū)分是干擾信號還是正常信號，其判斷依據(jù)是如果在給定的時間間隔內(nèi)連續(xù)接收到3個脈沖信號，表示為列車到信號，否則為干擾信號，列車到來信號發(fā)送給報警主機后，等待主機的確認信號，若收不到確認信號，則重發(fā)列車到來信號到主機直至主機返回確認信號。⑵、檢查兩個金屬探測模塊工作狀況，一旦發(fā)現(xiàn)兩個模塊輸出的脈沖不同或僅有一個模塊輸出，通過對該信息的處理，將發(fā)給報警主機，提醒工作人員更換故障金屬探測模塊。⑶、檢測傳感器終端與金屬探測模塊連接是否正常，若異常則發(fā)信息到報警主機。⑷、對來自主機心跳信號進行應答。主要程序流程見圖10。

測試結(jié)果

測試環(huán)境：⑴溫度-12℃，路由節(jié)點3個，傳感器終端1個，節(jié)點與路軌距離3米，報警主機與傳感器終端相距4000米，測試列車27趟，報警準確無誤。⑵隧道長度400米，入口、出口各布放一個路由器節(jié)點，距入口700米放置傳感器模塊，距出口1000米處設報警主機，測試列車15趟，報警準確無誤。⑶站臺設報警主機，3000米處裝傳感器終端，中間通過2個路由節(jié)點，測量列車10次，報警準確無誤。從現(xiàn)場測試情況看，模塊與模塊之間的擺放位置很重要，盡可能使模塊之間處于明視狀態(tài)，否則，會縮短通訊距離，在復雜環(huán)境中如隧道、拐彎、山包等情況下，只要適當增加路由節(jié)點數(shù)量即可保證使用要求。用內(nèi)帶的電池在充滿電的條件下，最長連續(xù)工作時間可達40小時。在系統(tǒng)本身故障情況下，能給使用者提供相應設備故障報警信號。該系統(tǒng)已通過驗收并小批量生產(chǎn)。