基于Zigbee的船舶狀態(tài)監控系統的設計與實(shí)現

船舶狀態(tài)監控系統是現代船舶自動(dòng)化的一個(gè)重要標志，可分為機艙內監控和機艙外監控。機艙內船舶主要機械設備的工作狀態(tài)以及機艙外船舶的運行環(huán)境是否正常，直接關(guān)系著(zhù)整個(gè)船舶能否正常運行，因而對船舶相關(guān)機械設備和環(huán)境的重要參數(溫度，壓力，氣體濃度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控具有重要意義。目前的船舶監控模式基本為有線(xiàn)式的集中監控，而利用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)來(lái)替代傳統的有線(xiàn)的傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的監測和控制工作，能夠有效的解決由于船舶空間的復雜性造成的布線(xiàn)困難、不易維護等技術(shù)難點(diǎn)，此外還降低了施工人員的工作強度以及工程成本。因此，利用Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行監控，相比與有線(xiàn)監控技術(shù)具有許多技術(shù)優(yōu)勢。

1 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

Zigbee是一種新興的基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)標準開(kāi)發(fā)的近距離、低復雜度、低成本、低功耗、自組織的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)，以2.4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術(shù)。每個(gè)具有完整功能的Zigbee節點(diǎn)有兩種功能：與監控對象(如傳感器節點(diǎn))直接進(jìn)行連接，來(lái)完成數據的采集和監控任務(wù);此外還有簡(jiǎn)單的路由中轉功能，在自己信號覆蓋的范圍內，與網(wǎng)絡(luò )中其它的承擔中轉任務(wù)的多個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。由于其架構簡(jiǎn)單，再加上節點(diǎn)體積小，且能自動(dòng)組網(wǎng)，因此網(wǎng)絡(luò )布局十分簡(jiǎn)單方便;再加上大量的節點(diǎn)能進(jìn)行群體協(xié)作，網(wǎng)絡(luò )本身具有很強的自愈能力，任何一個(gè)節點(diǎn)的損壞都不會(huì )對整體任務(wù)的完成造成致命性的影響，非常適合用來(lái)組建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )l引。由于這些特點(diǎn)，Zigbee技術(shù)在將來(lái)的工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、汽車(chē)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、消費電子、醫用設備等領(lǐng)域發(fā)揮的作用會(huì )越來(lái)越突出。

Zigbee協(xié)議標準采用分層結構，每一層為其上層提供特定服務(wù)：數據服務(wù)實(shí)體和管理實(shí)體分別提供數據傳輸服務(wù)和其他管理服務(wù)。協(xié)議棧中的每一層都通過(guò)服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(SAP)

向上層提供相應的服務(wù)，每個(gè)SAP通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現對應的功能。Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4標準定義的物理層(PHY)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)的基礎上定義了網(wǎng)絡(luò )層(NWK)、應用層(APL)以及安全服務(wù)規范。應用層由應用框架(AF)、應用支持子層(APS)、Zigbee設備對象(ZDO)以及用戶(hù)自定義的應用對象組成。用戶(hù)可以在這個(gè)標準的基礎上開(kāi)發(fā)所需的應用。

2 系統總體架構設計

系統主要由Zigbee終端設備節點(diǎn)(傳感器節點(diǎn))、路由設備節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)和上位機監控系統組成，整體結構圖如圖1所示?；赯igbee的船舶狀態(tài)監控系統的主要功能就是將船舶的傳感信息參數數據采集至Zigbee終端設備節點(diǎn)，終端設備節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把采集到的數據傳輸到Zigbee路由器節點(diǎn)，路由器節點(diǎn)主要承擔數據接力功能，然后路由器節點(diǎn)將轉發(fā)過(guò)來(lái)的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到Zigbee協(xié)調器節點(diǎn)，最后協(xié)調器節點(diǎn)利用串行接口把數據傳送至上位機監控系統。

上位機系統部分是本系統的人機交互界面，主要負責數據的分析和顯示;協(xié)調器負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的建立與管理，通過(guò)串口把終端設備采集到的數據傳送到上位機;路由器主要負責數據的轉發(fā)，從而擴大網(wǎng)絡(luò )的覆蓋發(fā)范圍;終端設備節點(diǎn)主要負責現場(chǎng)數據的收集，并把數據傳到路由器或協(xié)調器。協(xié)調器能與多個(gè)終端設備進(jìn)行直接通信，路由器節點(diǎn)主要是起到多跳路由作用。由于船舶機艙環(huán)境復雜，無(wú)線(xiàn)信號極容易受到障礙物的阻擋，因此這就要求無(wú)線(xiàn)通信能實(shí)現多跳功能。所謂多跳無(wú)線(xiàn)通信就是指利用全功能節點(diǎn)的路由轉發(fā)功能，將數據通過(guò)轉發(fā)從而達到要求的傳輸距離或避開(kāi)障礙物。Zigbee協(xié)議棧存在路由功能，只需在節點(diǎn)載入協(xié)議棧的路由程序，采用樹(shù)形或網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構就可實(shí)現多跳的無(wú)線(xiàn)通信。本文的設計重點(diǎn)是介紹Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )在船舶上的具體實(shí)現，因此將不討論上位機的用戶(hù)界面的具體設計。

3 系統硬件設計

本設計的硬件核心部分為T(mén)I公司生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530能以很低的材料成本以及很簡(jiǎn)單的外部電路設計建立起非常強大的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，而且還不用考慮射頻電路的設計，它集成了一個(gè)高性能的RF(射頻天線(xiàn))收發(fā)器、一枚業(yè)界標準的增強型8501微控制器內核(MCU)以及有8K的RAM，支持四種不同版本的Flash存儲器(32/64/128/256KB)擁有強大的五通道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。協(xié)調器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中處理的數據最多，職責最重，因此協(xié)調器選擇使用存儲器是256K的CC2530芯片。由于CC2530有多種不同的運作模式和真正的片上系統(Soc)解決方案，使得很適合用在低功耗的系統中，而且不需要國語(yǔ)復雜的外圍電路。

3.1 協(xié)調器節點(diǎn)和路由器節點(diǎn)硬件設計

協(xié)調器與路由器的硬件模塊基本相同，最大的不同就是路由節點(diǎn)沒(méi)有串口電路，以下只介紹協(xié)調器的硬件設計。協(xié)調器節點(diǎn)是由CC2530芯片與串口模塊組成，本設計的串口

模塊選用的是MAX3232芯片來(lái)完成RS232串口數據的電平轉換。此外協(xié)調器節點(diǎn)還包括電源模塊、射頻天線(xiàn)(RF)模塊以及晶振電路等模塊。電源模塊用于為協(xié)調器節點(diǎn)的其它功能模塊供電，保證節點(diǎn)的正常運行，供電電壓為2.0～3.6V之間。RF模塊主要用于數據的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)數據和休眠狀態(tài)。協(xié)調器節點(diǎn)硬件的結構框圖如圖2所示。

3.2 終端設備節點(diǎn)硬件設計

在監控系統中，分布最廣數量最多的就是終端設備節點(diǎn)，主要負責對船艙重要數據的收集與傳送。終端設備節點(diǎn)由處理器模塊(CC2530)、電源模塊、射頻天線(xiàn)(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。另外為保證終端節點(diǎn)設備的靈活性，電源的供電方式一般采用兩節電池供電，因為CC2530的工作電壓在2～3.6 V，而兩節電池的電壓一般在3 V左右，因此完全能滿(mǎn)足其工作電壓。不過(guò)對于部分對工作電壓要求高的傳感器，電池電壓達不到其工作的最低標準時(shí)，可以使用外部直流電源為其供電。終端設備節點(diǎn)硬件的結構框圖如圖3所示。