基于ZigBee的无线巡检仪的研究.doc

基于ZigBee的无线巡检仪的研究
李明学　田国钰
(黑龙江科技学院，哈尔滨 150027)
摘要：本文以无线巡检仪为研究对象，采用ZigBee技术，给出了一种应用于远程无线测控系统的基于Linux的嵌入式系统的设计方案。从硬件平台和软件平台两方面进行了设计，保证测控任务完成的实时性、可靠性，同时可以连接到工业以太网，从而实现远程监控。
关键词：无线巡检仪；Linux； 嵌入式系统

Study of wireless data logging devices based on ZigBee
Li Mingxue Tian Guoyu
(Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150027)
Abstract: This paper used wireless data logging devices as the object of study, to introduce ZigBee technology, and a wireless remote monitoring and control System based on Linux embedded system design. From the hardware platform and software platform has been designed both to ensure the completion of the tasks of monitoring and control of real-time, reliability, as well as connect to the Ethernet industry in order to achieve remote monitoring.
Keywords: Wireless Data logging devices Linux Embedded system

中图分类号： 　　　　　　　　　　　　文献标识码：

0 引言
近距离无线通信技术的发展,解决了有线线缆带来的不便,特别是在遥测遥感、工业自动控制、家用电器等领域有较大的应用前景。为了满足无线联网设备低功耗、低速率的要求,一种新型的无线网络技术—ZigBee应用而生。

1 ZigBee技术简介
ZigBee技术最早是由三菱电器、三星、摩托罗拉、飞利浦等公司作为发起方,至今参与企业超过百家,其中不乏计算机、电子、通信等领域知名大企业。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术、ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准基础上。技术协议中物理层和数据链路层采用IEEE802.15.4标准,网络层和应用层由ZigBee联盟制定。网络层提供三种网络拓扑结构,具有自组织、自维护的功能,便于多个设备加入ZigBee网络。应用层面向用户提供多个应用接口,用户可根据需要制定相关应用软件。协议栈如图1所示。

ZigBee应用层
ZigBee网络层
IEEE 802.15.4 MAC层
IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY层
IEEE 802.15.4 2.4GHz PHY层
图1 ZigBee协议栈
ZigBee与其他无线网络连接技术相比,具有低功耗、成本低、网络容量大、数据传输可靠、安全等优点。无线协议中定义了两种设备节点：一种是全功能设备（FFD）或称为主器件，它承担了网络协调者的功能，作为网络节点的集中组织者、协调者，可以同网络中的各种设备通信，可存在于各种拓扑结构中；根据系统检测量的多少或网络的大小，这种设备可有可无、可多可少，可以为网络协调器或者是路由器。另一种是简化功能设备（RFD）或称为从器件，不能作为网络协调者，只能与主器件通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据，这种设备为终端设备，终端设备不进行任何网络维护, 可以随时休眠或唤醒, 可采用电池供电。这样不但扩大了控制范围而且降低了整体的功耗。本文设计的无线巡检仪实现网络协调器的功能。网络可采用星型、树型、网状种的网络拓扑结构, 为了增加系统的稳定性和数据传输可靠性, 这里采用网状网络结构, 以便在部分路由器失效后, 报文可以通过其他路由器传输, 保证了设备间的正常通信。

2 系统总体结构
无线传感器网络可以在无人值守的工业现场实时的检测、感知、采集对象的各种信息（如温度、湿度、光强、噪音等物理现象），并对这些信息进行初步处理，将有效数据以无线的方式发送出去，在ZigBee网络中, 数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量, 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,最终发给无线巡检仪，无线巡检仪可以采集多路传感器的测量数据，并对测量数据整理分类，然后通过RS485和工业以太网接口连接到监控主机及因特网，实现本地或远程实时性监控。

因特网
远程主机
监控主机
RFD
FFD
巡检仪

图2 监控系统总体结构图

3 硬件设计
无线巡检仪的基本组成如图3所示，硬件设计上采用功能强大的ARM9芯片,并且外接一个ZigBee无线收发模块以实现与传感器或监控主机之间的无线数据传输，键盘模块可以实现与巡检仪的简单的人机交互，LCD显示屏可以显示一些测量信息及巡检仪的系统配置信息，电源模块为巡检仪设备提供能量供应，存储器模块存储各节点的测量信息，通过RS485可以将巡检仪连接到监控主机,可实现实时性监控，也可以通过网口连接到因特网上，远程主机通过上网实现远程监控。
S3C2410微处理器
无线通信模块ZigBee
网口
LCD显示屏
键盘模块
电源模块
存储器
RS485

图3 巡检仪模块结构图
微控制器是系统的核心，主要功能是处理数据、存储数据及控制流程等，本仪表采用的是三星公司的ARM9-S3C2410芯片，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。还提供了丰富的内部设备：分开的16KB的指令Cache和16KB数据Cache，MMU虚拟存储器管理，支持NAND Flash系统引导，3通道UART，4通道DMA，I/O端口，IIC-BUS，2通道的SPI等，通过提供一系列完整的系统外围设备，S3C2410A大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。
无线模块采用北京云天创(ATZGB)科技有限公司自主研发、生产的Zigbee适配器ZGB-LINK-M02，可满足低成本、低功耗无线网络的特殊需求。该适配器极低的功耗、体积小巧、易于使用，可提供设备间数据的可靠传输。适配器用USB接口与主控制器相连接。适配器有主从之分，一个主适配器可与一个或多个从适配器构建网络使用。当适配器硬件电路连接正确，主从设备会自动建立网络连接、识别、记忆对方信息。ZGB-LINK-M02 无线传输设备可支持点对点、星形网络拓扑。所有的 ZGB-LINK-M02 节点均可配置成为主节点（Coordinator）和从节点（Devices），可通过配置软件或AT命令进行配置。
4 软件设计
本文采用Linux操作系统，为了使操作系统能在系统硬件上运行，必须进行移植。根据本项目的系统需求去除内核中不需要的功能模块，如用不到的驱动程序、外设支持、协议、网络支持等。通过make menuconfig对内核进行配置，只选择硬件开发平台中需要的配置。Linux提供强大的网络支持，基本上支持所有的网络协议和网络接口，这为完成数据网络传输部分的提供了保证。
Bootloader是一种引导加载程序。它是系统加电后运行的第一段软件代码。本文选用vivi作为本系统的BootLoader，vivi是由韩国Mizi公司开发的一种BootLoader，完全支持S3C2410开发，减少了移植难度。
在进行应用程序开发之前，要在宿主机上建立和配置好开发应用程序所需要的开发环境。交叉编译工具选用arm-linux-gcc，将交叉编译工具arm-linux-gcc.tar.bz2拷贝到一目录然后解压，交叉编译环境就建好了，建立NFS服务器，采用目标板挂载NFS目录的方式进行开发。
建立和维护PAN是网络协调器的任务，作为网络协调器的巡检仪，工作流程图如图4所示，首先上电硬件初始化,经过延时后, 首先扫描信道，进行能量检测，选择一个合适的信道及PAN标识符，建立并启动网络, 发送广播信标帧, 同时作为主节点接受从节点的入网请求。主节点收到一个入网请求后, 将根据请求信息作出是否允许加入网络的判断。若允许加入, 主节点将发送请求响应给从节点。从节点收到请求响应后, 将获得主节点分配给它的一个网络地址作为网络内的唯一身份标识, 该节点成功加入网络。如果主节点不允许从节点加入, 则从节点加入失败，它可以寻找另外一个主节点申请加入网络。
上电
扫描信道能量检测
选择信道确定
PAN产生信标帧
初始化802-15-4协议栈
串口初始化
否
是
建立连接
否
是
接收数据并转发给PC机

有无连接请求？

有无数据请求？

图4 无线巡检仪建立网络流程图

5 结束语
ZigBee无线网络技术的出现为工业控制领域提供了新的数据通信手段, 其组网简易灵活、数据传输安全可靠等优势使工业数据进行无线传输成为可能。本文运用ZigBee无线通讯技术实现了无线巡检仪的通信模块设计，运用ZigBee技术代替传统的线缆，不但节省了大量的人力物力，而且提高了效率，保证了安全性，解决了有线网络的局限性问题, 具有广阔的应用前景。

参考文献
[1] 瞿雷.一种新的无线网络通信技术ZigBee [EB/OL].[2007- 05- 20].http: / / /xs j06 /xs j061353w.asp
[2] JN- DS-JN5121 Datasheet for JN5121 s ingle chip wireless microcontroller [R/OL].[2007- 05- 20]
[3] SUNPLUS TECHNOLOGY CO.LTD.SPCE061A 数据手册[R].[S.L.][S.N.] 2003,9
[4] 杨家成,曹仲达. 微波通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,1989,6
[5] 吴诗其,朱立东. 通信系统概论[M].北京:清华大学出版社,2005,6
[6] 吕治安.Zigbee网络原理与应用开发.北京:北京航空航天大学出版社，2008,2
[7] Cucej Z,Peulic A,Randji‘c S. ZigBee based patients parameters monitoring system[C] .The13th international conference on systems,signals and image processing. Budapest,Hungary. 2006.
[8] Ye W,Heidemann J,Estrin D. An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor network[M] .San.Francisco: IEEE Computer Society, 2002.
[9] Zigbee Alliance. Network Specification(Draft Version1.0)[Z] .2004.
[10] CC2430A True System-on-chip solution for2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee[OL] .