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本文作者：蘇和平郗仲平作者單位：天水師范學(xué)院

Xbeeproseries2模塊簡(jiǎn)介

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最初應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。通常，符合如下條件之一的應(yīng)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(diǎn)多；要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；要求數(shù)據(jù)傳輸可性高，安全性高；設(shè)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(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測(cè)遙控系統(tǒng)。Xbeeproseries2模塊是美國(guó)DIGI公司基于Zigbee技術(shù)，專為超遠(yuǎn)程，低數(shù)據(jù)傳輸率，高可靠性，低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，在工業(yè)自動(dòng)化控制及電力配電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)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(luò)中，必須指定一個(gè)模塊為協(xié)調(diào)器才能啟動(dòng)該網(wǎng)絡(luò)，其余模塊可根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的作用分別設(shè)定成路由器或設(shè)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(shè)置成協(xié)調(diào)器、路由器或設(shè)備終端。每一模塊具有一個(gè)64位（8字節(jié)）唯一地址和16位（2字節(jié)）網(wǎng)絡(luò)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(luò)地址。被定義為協(xié)調(diào)器的模塊，其網(wǎng)絡(luò)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(biāo)志表示一幀的開始，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度占兩字節(jié)，以字節(jié)為單位標(biāo)識(shí)幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（不包含數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及校驗(yàn)和字節(jié)），校驗(yàn)和=0xFF－幀數(shù)據(jù)逐字節(jié)相加后取低8位值。API標(biāo)識(shí)代碼標(biāo)識(shí)API幀數(shù)據(jù)特性，其具體意義表示如表1。由API標(biāo)識(shí)代碼決定了API幀數(shù)據(jù)的組成，最常用的API標(biāo)識(shí)為0x10和0x90。其幀數(shù)據(jù)的組成如圖2、圖3。將16進(jìn)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(gè)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(gè)API接收包，包的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(bào)警主機(jī)三部分構(gòu)成。通過基于Zigbee技術(shù)的Xbeeprose-ries2模塊組成的個(gè)域網(wǎng)（PAN）將其聯(lián)系起來。傳感器終端負(fù)責(zé)檢測(cè)列車到來信號(hào)并以報(bào)警主機(jī)的64位模塊地址為目標(biāo)地址發(fā)送信息到報(bào)警主機(jī)，主機(jī)接收到列車到來信號(hào)后，用聲光方式告知工作人員，并對(duì)報(bào)警開始時(shí)間和確認(rèn)時(shí)間進(jìn)行記錄存儲(chǔ)?？紤]到本系統(tǒng)在單線的應(yīng)用，主機(jī)可同時(shí)工作于上行和下行兩個(gè)通道。在現(xiàn)場(chǎng)使用中遇到山包、隧道、強(qiáng)干擾導(dǎo)致通訊距離不夠時(shí)，可在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾勇酚善鞅ＷC通訊的暢通，為了現(xiàn)場(chǎng)的使用方便，傳感器終端、路由器及報(bào)警主機(jī)都進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，對(duì)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(shí)驗(yàn)和運(yùn)行兩種狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)主要是拉距離時(shí)可從訊響器的聲音知道通信是否正常，這點(diǎn)對(duì)于決定路由器及傳感器的放置點(diǎn)非常方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1報(bào)警主機(jī)

報(bào)警主機(jī)作為報(bào)警網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)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(shí)，接收路由器或傳感器終端發(fā)來的tset信號(hào)，并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；接收到路由器或傳感器終端的運(yùn)行信號(hào)后，若該報(bào)警器主機(jī)是第一次應(yīng)用或是在網(wǎng)絡(luò)復(fù)位情況下應(yīng)用，則路由器或傳感器終端在由test狀態(tài)切換到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)將該節(jié)點(diǎn)的64位模塊地址依照其實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行記錄，以供以后定位通訊故障做依據(jù)。當(dāng)檢測(cè)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(jìn)入監(jiān)控報(bào)警狀態(tài)。⑵在監(jiān)控報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到傳感器終端發(fā)來的列車到來信號(hào)后，啟動(dòng)高分貝訊響器及高亮度發(fā)光管報(bào)警，并記錄列車到來的日期時(shí)間，報(bào)警時(shí)間持續(xù)到確認(rèn)鍵按下結(jié)束。在沒有列車到來信號(hào)時(shí)，報(bào)警主機(jī)每5秒給傳感器終端發(fā)送一次心跳信號(hào)并等待返回信號(hào)，如果收到返回信號(hào)，表示通信鏈路正常，否則，查詢是哪個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)通訊不正常，最終在顯示屏上顯示出來并以聲光信號(hào)報(bào)警。⑶存儲(chǔ)5000點(diǎn)的報(bào)警數(shù)據(jù)，可在主機(jī)液晶屏上查詢。⑷報(bào)警主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如5所示，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行在μC－OSⅡ，微控制器選用C8051F340，由于它內(nèi)嵌64K程序存儲(chǔ)器和4KRAM及豐富的外設(shè)功能，僅需少量的外部芯片即可滿足設(shè)計(jì)要求，和無線模塊的通訊用UART0，顯示單元用PCF8576驅(qū)動(dòng)字段式液晶屏，時(shí)鐘電路芯片選用PCF8583，AT24C1024用來存儲(chǔ)報(bào)警點(diǎn)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(bào)警主機(jī)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(duì)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(bào)警單元提供足夠的功率保證有一定的響度。⑸報(bào)警單元受微控制器和主機(jī)監(jiān)控電路的雙重控制，主機(jī)監(jiān)控電路由X25045芯片完成，當(dāng)報(bào)警主機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)，每隔一定時(shí)間會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖對(duì)芯片中的看門狗定時(shí)器復(fù)位，芯片輸出低電平，當(dāng)報(bào)警主機(jī)系統(tǒng)有問題時(shí)，將導(dǎo)致芯片相應(yīng)管腳輸出高電位驅(qū)動(dòng)訊響器發(fā)聲。

2傳感器終端

傳感器終端主要完成對(duì)列車到來的信號(hào)的檢測(cè)，并將該信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，通過無線模塊發(fā)送到報(bào)警主機(jī)。列車到來信號(hào)的拾取采用金屬探測(cè)器原理，即利用路軌上安裝金屬探測(cè)模塊，當(dāng)列車車輪掃過探測(cè)器表面時(shí)輸出一個(gè)低電平信號(hào)給微控制器。為了提高可靠性，采用兩個(gè)金屬探測(cè)模塊并行工作的方式，防止單一傳感器故障時(shí)漏報(bào)信號(hào)，當(dāng)其中一個(gè)探測(cè)模塊有問題時(shí)，除了給報(bào)警主機(jī)發(fā)送列車到信息外，同時(shí)還發(fā)送相關(guān)探測(cè)模塊故障信號(hào)。探測(cè)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(shè)置一根閉合導(dǎo)線（圖6中纜線c、d），由M_CHECK信號(hào)標(biāo)志纜線連接是否正常。探測(cè)模塊與傳感器終端的連接見圖6，SIG1、SIG2信號(hào)送入傳感器終端的微控制器進(jìn)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(cè)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(yàn)和運(yùn)行兩種狀態(tài)，拉距離在試驗(yàn)狀態(tài)，正常工作在運(yùn)行狀態(tài)。

軟件設(shè)計(jì)

考慮到應(yīng)用程序工作于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC－OSⅡ，軟件編程要對(duì)基于C8051F340上運(yùn)行μC－OSⅡ進(jìn)行移植，根據(jù)系統(tǒng)組成，相應(yīng)軟件可分為報(bào)警主機(jī)軟件，中繼路由軟件，傳感器終端軟件。

1報(bào)警主機(jī)軟件

類似于服務(wù)器軟件，除了對(duì)路由節(jié)點(diǎn)、傳感器終端進(jìn)行管理外，還要分別對(duì)報(bào)警主機(jī)顯示、鍵盤輸入、報(bào)警信號(hào)提示、報(bào)警數(shù)據(jù)管理等實(shí)時(shí)響應(yīng)，考慮到應(yīng)用的高可靠性，對(duì)通訊鏈路的工作狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其方法是在系統(tǒng)進(jìn)入正常報(bào)警狀態(tài)后，每隔5秒鐘由報(bào)警主機(jī)發(fā)送心跳信號(hào)給上下行傳感器終端，傳感器終端接到報(bào)警主機(jī)的心跳信號(hào)后返回相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)表示通信鏈路正常，否則，主機(jī)會(huì)按照布區(qū)的路由器和傳感器終端的順序依次進(jìn)行查詢，最終找到不能通訊的節(jié)點(diǎn)，并在顯示屏上提示和產(chǎn)生相關(guān)的報(bào)警聲，對(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)電池剩余電量等。主機(jī)可存儲(chǔ)5000組報(bào)警數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括報(bào)警時(shí)的日期時(shí)間和報(bào)經(jīng)確認(rèn)的日期時(shí)間，這些數(shù)據(jù)可通過主機(jī)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(gè)×10鍵提高查詢速度，主機(jī)報(bào)警數(shù)據(jù)不能由用戶刪除，5000條記錄滿后，新的報(bào)警數(shù)據(jù)將會(huì)覆蓋早先的舊數(shù)據(jù)。報(bào)警主機(jī)的主要程序流程如圖9。圖9報(bào)警主機(jī)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(gè)內(nèi)容，⑴、完成對(duì)主機(jī)查詢的響應(yīng)；⑵、在自身電量不足時(shí)主動(dòng)發(fā)信息到主機(jī)，主機(jī)返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)完成此次信息的傳送，當(dāng)收不到主機(jī)的應(yīng)答信號(hào)時(shí)，則重發(fā)信息到主機(jī)直至主機(jī)應(yīng)答。程序流程如圖5。

3傳感器終端軟件

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

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試環(huán)境：⑴溫度-12℃，路由節(jié)點(diǎn)3個(gè)，傳感器終端1個(gè)，節(jié)點(diǎn)與路軌距離3米，報(bào)警主機(jī)與傳感器終端相距4000米，測(cè)試列車27趟，報(bào)警準(zhǔn)確無誤。⑵隧道長(zhǎng)度400米，入口、出口各布放一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，距入口700米放置傳感器模塊，距出口1000米處設(shè)報(bào)警主機(jī)，測(cè)試列車15趟，報(bào)警準(zhǔn)確無誤。⑶站臺(tái)設(shè)報(bào)警主機(jī)，3000米處裝傳感器終端，中間通過2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，測(cè)量列車10次，報(bào)警準(zhǔn)確無誤。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(huì)縮短通訊距離，在復(fù)雜環(huán)境中如隧道、拐彎、山包等情況下，只要適當(dāng)增加路由節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)40小時(shí)。在系統(tǒng)本身故障情況下，能給使用者提供相應(yīng)設(shè)備故障報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)已通過驗(yàn)收并小批量生產(chǎn)。