基于ZigBee的无线环境监测网络设计

收稿日期：2008-09-22.作者简介：冯驰（1961-），男，教授，主要研究方向：图像处理，E-mail ：feng610317@.第36卷第5期2009年5月Vol.36，No.5M ay.2009应用科技Applied Science and Technologydoi ：10.3969/j.issn.1009-671X.2009.05.011基于ZigBee 的无线环境监测网络设计冯驰，刘希胜（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001）摘要：针对传统环境监测系统中存在的若干问题，提出了一种基于ZigBee 技术的无线监测系统解决方案，介绍了ZigBee 网络的协议栈结构、节点类型和网络拓扑结构等技术特点，给出了新型无线环境监测网络的系统构成框图和工作原理，使用CC2430和CC2591设计扩展射频覆盖范围的ZigBee 网络协调器和路由器的硬件电路，指明在Z 蛳Stack 平台上开发ZigBee 网络通信程序的优势.关键词：ZigBee ；监测网络；无线通信中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009蛳671X （2009）05蛳0039蛳05Design of wireless environment surveillance system based on ZigBeeFENG Chi ，LIU Xi 蛳sheng（College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University ，Harbin 150001，China）Abstract ：This article provides a new solution for wireless environment surveillance system based on ZigBee technologyin order to solve the problems existed in traditional systems.The authors gave the descriptions of the technicalcharacteristics of ZigBee ，including stack architecture ，node types ，network topology ，etc.，showed the block diagram of this novel wireless environment surveillance system and depicted its working principle as well.How to design hardwarecircuits of ZigBee coordinator and routers ，which have an extended RF communication range by using CC2430and CC2591，was also discussed in this paper.And finally the authors pointed out the advantages of developing ZigBee network communication program based on Z 蛳Stack platform.Keywords:ZigBee ；surveillance system ；wireless communication在石油化工、煤炭冶金以及军事上的战场侦察、边境地区监视等应用中，经常需要在多个地点进行多种参量（例如温度、湿度、气体浓度、振动、声音等）的监测；传统的监测系统通常采用多线制（4~20mA 电流环）或者总线制（RS485、CAN 总线等）方式将多个独立的监测仪表连接起来构成监测网络，最后由专用设备或者计算机对网络数据进行处理[1].这种系统的应用范围十分有限，对于监测区域较大、周围环境恶劣、布线困难的场合往往显得无能为力.文中提出一种基于ZigBee 技术的无线监测系统解决方案，通过用无线通信代替电缆通信，让监测网络摆脱了电缆布线的束缚，使得监测范围更为广泛，监测方式更为灵活，以满足实际应用的需要.1ZigBee 简介ZigBee 是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度的短距离双向无线通信技术，主要面向消费电子、家居和楼宇自动化、工业控制、计算机外设、医疗护理等领域的应用[2].ZigBee 协议栈是参考标准的开放系统互连模型而设计的，主要包括物理层、媒质访问控制层、网络层和应用层.物理层和媒质访问控制层规范来自IEEE802.15.4标准，它定义了在无线个人局域网络（WPAN ）内部使用低数据速率、低功耗和低复杂度的短距离射频设备进行数据通信的协议和互操作第36卷·40·应用科技性[3].以此为基础，ZigBee 联盟制定了上层协议———网络层和应用层规范.ZigBee 的协议栈的层次结构如图1所示.图1ZigBee 协议栈结构框图应用层应用框架ZigBee 设备对象应用支持子层网络层媒质访问控制层物理层868/915MHz 2.4MHzZigBee 联盟ZigBee 协议栈IEEE802.15.4ZigBee 网络中区分3种类型的设备：协调器、路由器和终端设备.协调器是网络中第一个上电的设备，负责选择工作信道和网络标识符，建立WPAN 网络.路由器的职责包括：允许其他设备加入网络；支持多跳路由数据包；协助它的休眠子结点进行网络通信等.路由器的存在与否直接决定了网络拓扑结构，因此路由器通常都是不能休眠的，需要直流电源供电[4].终端设备是网络中数量最多的节点类型，它们上电后扫描工作信道，试图找到一个已经存在的网络并加入其中.终端设备负责采集信息，并通过网络上传数据；它们采用睡眠-唤醒式的工作流程，可以在低功耗状态下工作很长时间.Zig 蛳Bee 支持3种典型的网络拓扑结构，分别是星形网络、簇状网络和网状网络，如图2所示.图2ZigBee 网络拓扑结构示意图星形网状簇状ZigBee 协调器ZigBee 路由器ZigBee 终端设备ZigBee 网络支持海量节点入网，当使用16位的短地址进行通信，每个WPAN 网络支持多达65535个节点[5]；如果使用64位的IEEE 地址，那么网络内能够容纳的节点数目更是高达264个.通过采用簇状或网状的网络拓扑结构，利用路由器中继数据包，可以极大扩展网络覆盖范围，使得节点间的通信距离扩展到数百米甚至几千米远.2系统组成和工作原理本系统主要由信息中心、光纤通信组件和无线传感器网络3部分构成，如图3所示.图3无线环境监测网络构成框图光纤信息中心监视区域信息中心由计算机和监测软件组成，代替了传统的仪表盘，提供友好的操作界面.通过运行在计算机上的监视软件，操作人员可以直观、清晰地看到每个网络节点的位置分布和状态信息.利用计算机的高速计算能力、海量存储能力还可以对每个监测点数据进行实时处理并建立后备数据库，便于日后进行深入分析.信息中心与无线传感器网络之间使用光纤通信技术，解决了传统RS232信号传输距离短、抗干扰能力差等缺点，同时也解决了电磁干扰、地环干扰以及雷击和电压浪涌的问题，大大提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性.监视区域内散布着大量的监测节点，上电后它们自动组建无线网络，自动建立动态路由并定时向汇聚节点发送监测数据，汇聚节点再将数据传送给信息中心.监测区域内需要3种类型的网络节点：协调器、路由器和终端设备.协调器就是汇集节点，既要发起和配置无线网络，又要与信息中心交互数据.路由器安放在协调器与终端设备之间，既要监测环境参量，又要作为中继平台支持终端设备与协调器之间的通信.终端设备是依靠电池供电的微小节点，它们自身携带传感器，负责采集周围的环境信息，并定时向汇聚节点上传数据.3硬件结构设计本系统中，计算机和光纤通信的硬件设备可以直接使用市场上成熟的产品.重点是实现网络节点，也就是完成网络协调器、路由器和终端设备的硬件电路设计.为了实现ZigBee 网络通信，必须使用支持冯驰，等：基于ZigBee 的无线环境监测网络设计第5期·41·IEEE802.15.4/ZigBee 标准的射频收发器.此外，还需要一个高性能、低功耗的微处理器来实现网络通信协议并完成数据采集等工作.TI 公司的CC2430是一款专为IEEE802.15.4/ZigBee 应用而设计的真正的片上系统（SoC ）型ZigBee 芯片，内部集成了业界领先的高性能的CC2420射频收发器和工业标准的增强型8051微处理器，并且提供了丰富的片上外设资源.CC2430工作于2.4GHz 频段，具有宽电压供电（2.0~3.6V ）、低电流损耗（收发数据时仅为27mA ，掉电模式下最低仅为0.3μA ）的特点，仅需要配置少数外围元器件就可以构成一个完整的ZigBee 收发系统[6].以CC2430为核心，配合不同的外围电路即可构成不同类型的网络节点.协调器和路由器的射频覆盖范围直接影响了监测网络覆盖区域的大小，而CC2430本身最大的输出功率仅为0.6dBm ，视距通信范围也不过100m 左右，不能满足实际需要；因此硬件设计中又引入了2.4G 模拟射频前端芯片CC2591，以增大协调器和路由器的射频覆盖范围.CC2591是TI 公司专为低电压低功耗的2.4G 无线通信而设计的高性能的射频前端，它能将CC2430的射频通信距离扩展到原来的15倍；它的输出功率峰值为22dBm ，能够提高6dB 的接收灵敏度，具有较低的发射电流消耗（供电电压3V 、输出功率20dBm 时仅为100mA）和较低的接收电流消耗（高增益模式时为3.4mA ，低增益模式时为1.7mA ）[7].此外，它能与CC2430无缝连接，使用简单方便.CC2430与CC2591的典型应用电路如图4所示.综上所述，协调器、路由器和终端设备的硬件构成框图如图5所示.协调器上的RS232端口用于与具有RS232接口的光纤调制解调器通信，从而利用光纤进行远距离安全通信.协调器和路由器上的LCD 模块用于显示网络状态和通信流量，便于网络安装测试.路由器和终端设备均配有传感器模块和报警模块.其中，传感器模块内根据监测需要可以安装温度传感器、湿度传感器、气体传感器、振动传感器、声音传感器等多种传感器，并且已经集成了相应的信号调理电路，因此CC2430内部的ADC 可以直接采集传感器模块输出的模拟信号.报警模块内安装声光报警器，当被监测参量超过警戒阈值时可以发出报警信息，为监测点附近人员提供安全保障；实际应用中，可以根据需要选择是否在某个节点上安装报警模块.（a ）协调器Fiber RS232电源管理单元CC2430CC2591LCD图4CC2430与CC2591的典型应用电路D D _S O C A V D D _G U R D 12VDD +C 12.2nFC 2220nF +C 141.0uFAVDD 1.8VP2_0P2_2P2_1P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7U1CC2430204174742HGM Ctrl48464598654321111213141516171810494039383736353130292827253233344344211922262423C 410nFC 5100nF C 610nFVDDL1BLM15HG102SN11+C 31uF C 710nF C 91uF C 1010pF C 111nF C 1218pF C 131nFR2TLIN inductor 345678161514131211109U2CC2591RESET_NR 543K VDDP2_0P2_2P2_1P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7A V D D _S O C A V D D _D G U A R D A V D D _D R E G A V D D _A D C D V D D A V D D _A D C D V D D A V D D _I F 2DCOUPL AVDD_RF2AVDD_SW AVDD_RFI AVDD_PRE AVDD_VCO VCO_GUARD AVDD_CHPAVDD_IF1CC2430RF_P TxRx_SWITCH RF_N P2_4/XOSC_O2P2_4/XOSC_O1XOSC_O1XOSC_O2RBIAS1RBIAS2RESETn GND RREG_OUT AVDD_RREG VDD C 22220nFC 23220nFAVDD_1.8VR 343K R 456K 13X 132MHzC 16C 17C 18C 1933pF 33pF 15pF 15pF12X 2HGM_Ctrl17R F _N P A B I A S CC2591R x T x G N D R F _P A V D D _L N A P A E N G N D A V D D _P A 1A V D D _B I A S H G M A V D D _P A 2G N D G N D E N A N T GNDR 14.3KTLIN induetor TLIN induetorSMA 12C 1523451.33.0nH2.2nH C 202.2pF 6.8pFC 211.0pF1电源管理单元CC2430CC2591报警模块传感器模块图5网络节点的硬件构成框图电源管理单元CC2430CC2591LCD报警模块传感器模块（b ）路由器（c ）终端设备4软件程序设计4.1信息中心的监测软件开发运行于计算机上的监测软件主要由3部分构成：串口通信、数据存储和显示界面.本软件使用面向对象的编程语言在VC++6.0环境下开发而成，网络节点数据采用Access2003数据库开发管理程序进行统一管理.用户可通过软件界面查看无线传感器网络的拓扑结构、路由路径、节点位置、生命状态等信息，也可以查看每个节点监测的环境参量的实时数据和历史数据曲线图等信息，并且能够设置监测数据的报警阈值和数据图形的显示方式.串口通信部分采用了VC++6.0中的MSComm 通信控件以加快开发速度，程序中使用MSComm 提供的事件驱动法来获得端口信息，串行通信的波特率设定为115200bps 、8位数据位、1位停止位，无校验位.无线传感器网络节点采集的监测数据被保存在Access 数据库中，在VC++6.0中应用ADO 数据访问技术可以很方便地对数据库进行存取管理，从而综合利用了VC++6.0强大的图形界面处理能力与Access2003完善的数据库管理能力.4.2网络节点程序开发虽然相比于WiFi 、Bluetooth 等无线网络系统，ZigBee 协议的复杂度已经大大降低，但是如果选择直接编写自己的ZigBee 协议栈，那仍是一件相当耗时费力的工作；因此很多公司都推出了商用协议栈以帮助客户快速地将ZigBee 网络优势集成到自己的产品中.Z-Stack 就是TI 公司依据ZigBee Specifi 蛳cation 2006专为CC2430芯片设计的协议栈，它已经被ZigBee 联盟认证为ZigBee 兼容平台，并对所有客户免费开放.Z 蛳Stack 协议栈主要由5部分组成：硬件抽象层、操作系统抽象层、ZigBee Stack +IEEE802.15.4MAC 、用户应用程序和监视测试程序[8].在Z 蛳Stack 上开发应用程序可以忽略ZigBee 网络实现的具体细节，帮助使用者将更多的精力集中在实际应用上，从而加快产品研发速度；使用ZigBee 兼容平台还可以保证产品具有良好的互操作性，即能够与其他公司的ZigBee 产品进行网络通信，无需担心兼容性问题.此外，Z 蛳Stack 提供了详细的配置文件接口，允许用户根据实际需要自由配置ZigBee 网络，使用起来灵活方便.在本系统中，网络节点程序就是建立在Z 蛳Stack 协议栈的基础上开发完成的.限于篇幅，Z 蛳Stack 的应用不再深入描述.图6给出了终端设备的应用层程序流程图.可知，CPU 完成初始化工作后运行Z 蛳Stack 协议栈，它将自动完成加入网络、建立邻居表、选择路由等底层操作，应用层在收到成功入网的事件消息后，设置睡眠定时器并开启全局中断，最后就可以控制CPU 进入睡眠状态，以节省能量.当定时器溢出时，触发中断将CPU 从睡眠状态唤醒，再次通过Z 蛳Stack 与父节点通信、处理网络事务，接着采集监测数据，判断是否触发报警电路并向网络协调器发送环境信息，完成这一系列工作后，CPU 退出中断程序，再次进入睡眠状态.以上就是睡眠-唤醒式的工作流程，使用这种方法可以保证终端设备仅依靠电池供电也能工作很长时间.图6网络终端设备应用层程序流程图初始化启动Z 蛳Stack成功加入网络设置睡眠时间打开全局中断进入睡眠状态激活CPU查询父节点处理网络事务超过警戒阈值采集监测数据启动报警电路上传监测数据Y Y NN（下转第60页）50100150200t /sp /M P a 20151050-5优化后优化前图12优化前与优化后的主蒸汽压力比较曲线从图12优化前后的比较中显示，优化后超调量减少了5%，稳定时间也提前了25s ，可以看出，加入在3个前馈回路的联合运行方式下，功率的响应快而汽轮机前主蒸汽压力的动态偏差也较小，因此加入前馈的联合运行方式的协调系统性能更加优化.5结束语对机炉协调控制系统特点进行了剖析，提出了基于改进滑压控制的机炉协调系统设计优化方式，并对其进行了仿真研究，结合锅炉和汽轮机的具体情况，有其实施的可行性.根据仿真结果可以看出，加入3个前馈的复合滑压控制方法可以达到较好的控制效果.如果加入一些现代的智能控制方法，未来可能达到更好的效果，有一定的发展前景.参考文献:[1]张少凯，吕淑菊，刘环.船用蒸汽动力装置机炉协调系统的总体结构设计[J].热能动力工程，2005，20（6）:644蛳646.[2]张仁金.350MW 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