竇文博，王衛(wèi)東

（江蘇科技大學(xué) 計(jì) 算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江212003）

船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶自動(dòng)化的一個(gè)重要標(biāo)志，可分為機(jī)艙內(nèi)監(jiān)控和機(jī)艙外監(jiān)控。機(jī)艙內(nèi)船舶主要機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)以及機(jī)艙外船舶的運(yùn)行環(huán)境是否正常，直接關(guān)系著整個(gè)船舶能否正常運(yùn)行，因而對(duì)船舶相關(guān)機(jī)械設(shè)備和環(huán)境的重要參數(shù)（溫度，壓力，氣體濃度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有重要意義。目前的船舶監(jiān)控模式基本為有線式的集中監(jiān)控，而利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來替代傳統(tǒng)的有線的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測(cè)和控制工作，能夠有效的解決由于船舶空間的復(fù)雜性造成的布線困難、不易維護(hù)等技術(shù)難點(diǎn)，此外還降低了施工人員的工作強(qiáng)度以及工程成本[1]。因此，利用Zigbee無線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，相比與有線監(jiān)控技術(shù)具有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 Zigbee技術(shù)簡介

Zigbee是一種新興的基于 IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的近距離、低復(fù)雜度、低成本、低功耗、自組織的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，以 2.4 GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)[2]。每個(gè)具有完整功能的Zigbee節(jié)點(diǎn)有兩種功能：與監(jiān)控對(duì)象（如傳感器節(jié)點(diǎn)）直接進(jìn)行連接，來完成數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控任務(wù)；此外還有簡單的路由中轉(zhuǎn)功能，在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，與網(wǎng)絡(luò)中其它的承擔(dān)中轉(zhuǎn)任務(wù)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線連接。由于其架構(gòu)簡單，再加上節(jié)點(diǎn)體積小，且能自動(dòng)組網(wǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)布局十分簡單方便；再加上大量的節(jié)點(diǎn)能進(jìn)行群體協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)本身具有很強(qiáng)的自愈能力，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞都不會(huì)對(duì)整體任務(wù)的完成造成致命性的影響，非常適合用來組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]。由于這些特點(diǎn)，Zigbee技術(shù)在將來的工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、汽車自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮的作用會(huì)越來越突出[4]。

Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為其上層提供特定服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理實(shí)體分別提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和其他管理服務(wù)。?協(xié)議棧中的每一層都通過服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）向上層提供相應(yīng)的服務(wù)，每個(gè)SAP通過服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層（PHY）和媒體訪問控制層 （MAC）的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）以及安全服務(wù)規(guī)范。應(yīng)用層由應(yīng)用框架（AF）、應(yīng)用支持子層（APS）、Zigbee 設(shè)備對(duì)象（ZDO） 以及用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象組成[5]。用戶可以在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開發(fā)所需的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)）、路由設(shè)備節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?；赯igbee的船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能就是將船舶的傳感信息參數(shù)數(shù)據(jù)采集至Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igbee路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)數(shù)據(jù)接力功能，然后路由器節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)利用串行接口把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

上位機(jī)系統(tǒng)部分是本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析和顯示；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理，通過串口把終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)；路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋發(fā)范圍；終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集，并把數(shù)據(jù)傳到路由器或協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器能與多個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行直接通信，路由器節(jié)點(diǎn)主要是起到多跳路由作用。由于船舶機(jī)艙環(huán)境復(fù)雜，無線信號(hào)極容易受到障礙物的阻擋，因此這就要求無線通信能實(shí)現(xiàn)多跳功能。所謂多跳無線通信就是指利用全功能節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，將數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)發(fā)從而達(dá)到要求的傳輸距離或避開障礙物。Zigbee協(xié)議棧存在路由功能，只需在節(jié)點(diǎn)載入?yún)f(xié)議棧的路由程序，采用樹形或網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)多跳的無線通信。本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是介紹Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)在船舶上的具體實(shí)現(xiàn)，因此將不討論上位機(jī)的用戶界面的具體設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件核心部分為TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530能以很低的材料成本以及很簡單的外部電路設(shè)計(jì)建立起非常強(qiáng)大的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而且還不用考慮射頻電路的設(shè)計(jì)，它集成了一個(gè)高性能的RF（射頻天線）收發(fā)器、一枚業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8501微控制器內(nèi)核（MCU）以及有8K的RAM,支持四種不同版本的Flash存儲(chǔ)器（32/64/128/256KB）擁有強(qiáng)大的五通道DMA，CSMA/CA硬件支持，AES加密安全協(xié)處理器，兩個(gè)通用同步串口，支持多種串行通信協(xié)議[6]。協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中處理的數(shù)據(jù)最多，職責(zé)最重，因此協(xié)調(diào)器選擇使用存儲(chǔ)器是256K的CC2530芯片。由于CC2530有多種不同的運(yùn)作模式和真正的片上系統(tǒng) （Soc）解決方案，使得很適合用在低功耗的系統(tǒng)中，而且不需要國語復(fù)雜的外圍電路。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器與路由器的硬件模塊基本相同，最大的不同就是路由節(jié)點(diǎn)沒有串口電路，以下只介紹協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是由CC2530芯片與串口模塊組成，本設(shè)計(jì)的串口模塊選用的是MAX3232芯片來完成RS232串口數(shù)據(jù)的電平轉(zhuǎn)換。此外協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還包括電源模塊、射頻天線（RF）模塊以及晶振電路等模塊。電源模塊用于為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的其它功能模塊供電，保證節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，供電電壓為2．0～3．6 V之間。RF模塊主要用于數(shù)據(jù)的無線收發(fā)和傳送。晶振模塊是兩個(gè)不同頻率的晶振，分別用于無線收發(fā)數(shù)據(jù)和休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Structure diagram of the coordinator node

3.2 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在監(jiān)控系統(tǒng)中，分布最廣數(shù)量最多的就是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)對(duì)船艙重要數(shù)據(jù)的收集與傳送。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)由處理器模塊（CC2530）、電源模塊、射頻天線（RF）模塊、晶振電路模塊以及傳感器單元等模塊組成。傳感器單元模塊主要是一些溫度，濕度，氣體濃度，壓力等傳感器。另外為保證終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的靈活性，電源的供電方式一般采用兩節(jié)電池供電，因?yàn)镃C2530的工作電壓在 2～3．6 V，而兩節(jié)電池的電壓一般在3 V左右，因此完全能滿足其工作電壓。不過對(duì)于部分對(duì)工作電壓要求高的傳感器，電池電壓達(dá)不到其工作的最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以使用外部直流電源為其供電。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig．3 Structure diagram of the terminal device node

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件的設(shè)計(jì)的只是完成了協(xié)議棧中物理層的一些功能，而物理層以上的功能單獨(dú)依靠硬件則是不能實(shí)現(xiàn)的，它還需要軟件的驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件使用IAR Embedded Workbench作為開發(fā)平臺(tái)，并在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。Z-Stack是TI公司的基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，包含了Zigbee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API接口，通過調(diào)用這些接口來實(shí)現(xiàn)不同的功能。整個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)可以自動(dòng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（上級(jí)節(jié)點(diǎn)），并且一旦加入網(wǎng)路，能夠自動(dòng)建立綁定。

4.1 組網(wǎng)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)不論多復(fù)雜，都從建立網(wǎng)絡(luò)開始。當(dāng)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)以后，此時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)在應(yīng)用指定一個(gè)的網(wǎng)絡(luò)信道范圍內(nèi)進(jìn)行能量掃描，通過監(jiān)聽獲得各個(gè)信道上的能量值，并把能量值進(jìn)行排序，列出信道上的干擾值，拋棄超過最大允許的能量值的信道，在已存在網(wǎng)絡(luò)最少的信道上建立網(wǎng)絡(luò)，若信道上的存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)一樣，則在沖突和干擾最少的信道上建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)選定網(wǎng)絡(luò)信道以后，會(huì)進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置，包括網(wǎng)絡(luò)地址、PAN標(biāo)識(shí)以及擴(kuò)展PAN標(biāo)識(shí)等。當(dāng)這些參數(shù)都設(shè)置好后，網(wǎng)絡(luò)就基本建立起來了，只等待其它節(jié)點(diǎn)的加入。

組建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要由Zigbee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)[7]，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作的軟件部分包括初始化并組建網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)以及傳輸數(shù)據(jù)三大部分構(gòu)成。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，Zigbee協(xié)議棧會(huì)按照上節(jié)所介紹的組網(wǎng)流程去組建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，首先在系統(tǒng)初始化之后，掃描并選擇合適的信道后對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并最后確定網(wǎng)絡(luò)是否組建成功，如沒有組建成功，則協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)重新執(zhí)行上面的步驟，直至網(wǎng)絡(luò)成功組建。組網(wǎng)成功以后還不算真正的Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器還需要監(jiān)測(cè)是否有入網(wǎng)請(qǐng)求并允許有請(qǐng)求的子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并成功分配給自己點(diǎn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址后，才算組網(wǎng)成功，這只是協(xié)調(diào)器的部分任務(wù)。

上面的組網(wǎng)階段完成以后，協(xié)調(diào)器在正常工作的過程中，不斷的檢測(cè)有無數(shù)據(jù)傳送。其實(shí)，當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測(cè)到有數(shù)據(jù)的傳送時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入中斷接收狀態(tài)，在此過程中，數(shù)據(jù)會(huì)被暫時(shí)存放在指定的區(qū)域，其它外部程序以指針的形式調(diào)用這些數(shù)據(jù)。隨后，協(xié)調(diào)器會(huì)判斷數(shù)據(jù)的來源，若是上位機(jī)通過串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則認(rèn)為是命令，之后對(duì)命令會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理；若是傳感數(shù)據(jù)，則又會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，并更新存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，之后通過串口傳送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。圖4所示是其程序流程圖。

路由節(jié)點(diǎn)程序除了一些配置和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不同之外，其它基本一致。

4.2 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)要將收集到的溫度信息送到路由器或協(xié)調(diào)器，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)首先要加入網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)還要將自己綁定到第一個(gè)響應(yīng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)ZDO_StartDevice()自發(fā)的加入網(wǎng)絡(luò)，并通過函數(shù)zb_BindDevice()發(fā)出綁定請(qǐng)求，綁定成功后終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序循環(huán)調(diào)用SendData()函數(shù)周期性的發(fā)送采集到的溫度信息，采取端到端確認(rèn)的發(fā)送模式。函數(shù)zb_SendDataConfirm()可以作為指示應(yīng)答，如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)沒有指示應(yīng)答，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)解除本次綁定，重新尋找網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行綁定。圖5所示為其程序流程圖。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the coordinator node

圖5 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the terminal device node

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 通信測(cè)試

用IAR把相應(yīng)的程序分別下載到各節(jié)點(diǎn)。通過串口接入電腦，在對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，程序運(yùn)行時(shí)，便可在PC機(jī)的終端中查看到經(jīng)過處理后的的溫度數(shù)據(jù)信息 （為方便測(cè)試，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行溫度的采集）。利用串口調(diào)試助手接收到的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。在此過程中，用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)對(duì)同一空間進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有極小誤差，可以滿足大部分測(cè)量需求。同時(shí)進(jìn)行了通信距離測(cè)試，在沒有路由節(jié)點(diǎn)的情況下進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室樓并有墻壁阻擋，測(cè)試結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，無線網(wǎng)絡(luò)完全可以覆蓋大部分中小型船舶機(jī)艙環(huán)境。如果需要還可以添加功放芯片CC2591，經(jīng)測(cè)試，傳播距離會(huì)成倍數(shù)增加。

5.2 功耗測(cè)試

圖6 溫度測(cè)試結(jié)果Fig.6 The results of temperature test

表1 通信距離測(cè)試結(jié)果（無路由節(jié)點(diǎn)）Tab.1 The results of communication distance test（No route node）

溫度傳感節(jié)點(diǎn)的功耗問題直接影響了系統(tǒng)的壽命，在傳感節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)后就進(jìn)入休眠狀態(tài)，在完成一次數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送后，傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠低功耗狀態(tài)；在休眠狀態(tài)結(jié)束時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)就會(huì)重新進(jìn)入到工作過程，可有效降低功耗。溫度傳感節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)5號(hào)電池供能，休眠狀態(tài)下電流為0.4 μA，工作狀態(tài)下電流為24.3 mA。經(jīng)測(cè)試，兩節(jié)5號(hào)電池的正常工作時(shí)間在6個(gè)月左右，完全符合低功耗的性能需求。

6 結(jié)束語

根據(jù)船舶內(nèi)部的實(shí)際情況，以片上系統(tǒng)CC2530芯片為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的Zigbee無線船舶狀態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。它能有效解決有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布線難、擴(kuò)展性差等問題，并具有可靠性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活性高以及自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，基本能滿足對(duì)中小型船舶機(jī)艙一些重要設(shè)備、環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)控。

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