基于ZigBee的航標遙測終端

摘要：介紹了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)航標遙測的新型終端，該終端是航標遙測遙控系統(tǒng)的關鍵部件。它的硬件電路采用S3C2410 ARM9微處理器、GPS模塊、ZigBee模塊和CDMA模塊搭建；軟件采用嵌入式ARM-Linux操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，通過多線程的協(xié)同模塊化設計和模塊之間的有機組合，實現(xiàn)整個終端所需功能的程序設計。經過調試和移植，結果表明終端可以穩(wěn)定地實現(xiàn)航標燈、GPS數(shù)據(jù)采集、Zig-Bee網(wǎng)絡和CDMA雙模數(shù)據(jù)傳輸功能和雙模自動切換、航標燈的遙測遙控等功能。
關鍵詞：ZigBee；遙控終端；ARM-Linux；多線程

0 引言
航標是船舶在海上安全運行的重要保障，航標遙測終端的主要功能是實現(xiàn)對航標運行狀態(tài)、參數(shù)的實時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。對航標遙測終端的開發(fā)和研究已經將近10年，也取得了一些成果，對航標的管理和維護也有著重要的作用。但是，當前使用的航標遙測終端，由于處理器系統(tǒng)主要采用單片機，通信網(wǎng)絡采用GSM，CDMA，GPRS網(wǎng)等公網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使這種終端在功能和硬件資源方面有限，并在海上有的地方會出現(xiàn)通信的盲區(qū)或者信號不穩(wěn)定，造成目前的航標遙測遙控終端還存在著性能和穩(wěn)定性等方面的問題，還不能完全滿足現(xiàn)代化、信息化航標管理的要求。因此，使用新的技術和手段來開發(fā)航標遙測終端是相當必要的。
ZigBee無線網(wǎng)絡能夠通過自組網(wǎng)形式進行數(shù)據(jù)的實時傳輸，并具有低寬帶、功耗低、體積小、集成度高、成本低、安全等特點，目前已經在自動控制、遠程監(jiān)控等領域得到了廣泛的應用。對于航標遙測系統(tǒng)，由于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以采用高寬帶是多余的，而使用ZigBee技術是適合的。
因此，本文介紹一種在S3C2410處理器和ARM-Linux操作系統(tǒng)平臺下，基于ZigBee無線網(wǎng)絡的航標遙測終端的開發(fā)。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡
1．1 ZigBee概述
ZigBee是一個由多到65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的通信距離可以從標準的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。ZigBee技術基于IEEE 802．15．4標準。ZigBee標準制定了IEEE 802．15．4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、加密層及應用描述層，而且ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。它的完全協(xié)議對于基本節(jié)點只有4 KB，而作為Hub或路由器的協(xié)調器也只有32 KB。每個協(xié)調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調器則可形成一個網(wǎng)絡，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，使這種網(wǎng)絡遠距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會被其他節(jié)點獲得?？梢姡肸igBee模塊將航標組網(wǎng)，可以形成一個相互連接的航標網(wǎng)絡，實現(xiàn)航標狀態(tài)信息的遙測。
1．2 ZigBee模塊
本項目使用的ZigBee模塊是無線龍LBee系列模塊，它是基于IEEE 802．15．4／ZigBee標準生產的，兼具短、中、長距離的無線ZigBee網(wǎng)絡低功耗模塊。模塊工作在2．4 GHz的ISM頻段。本項目選用長距離的無線ZigBee網(wǎng)絡低功耗模塊，型號為CC2430-F128，室外可視的最遠通信距離可達2 000 m。對于廈金航線的航標之間的距離最遠是1 400 m左右，因此選用該模塊可滿足通信距離的要求。
LBee系列模塊采用的協(xié)議為ZigBee 2006，支持網(wǎng)狀、星狀、串狀等多種網(wǎng)絡拓撲。LBee系列模塊集成了所有的射頻組件，并已實現(xiàn)軟件升級、參數(shù)設置。模塊采用標準的AT指令接口，支持AT指令集，其AT指令的通用幀格式如圖1所示。圖中，幀頭為FEH；控制命令中COMD0，COMD1分別表示控制命令中的低字節(jié)和高字節(jié)；檢驗位是從控制命令到數(shù)據(jù)的每個字節(jié)的異或后所得的值。標志／狀態(tài)和有效數(shù)據(jù)長度對不同的幀是不一樣的，例如在發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式中，標志／狀態(tài)為一個字節(jié)，而在設置節(jié)點的通道、PANID、設備類型的幀格式中，標志／狀態(tài)位為2個字節(jié)，而有效數(shù)據(jù)長度變成了目的地址，且為2個字節(jié)，詳細的幀格式請參見文獻。這樣基于ZigBee技術的航標遙測終端的開發(fā)，需要做的工作就是連接電源、串口及I／O口。ZigBee模塊可以通過AT指令集來實現(xiàn)通信距離、信道、網(wǎng)絡參數(shù)、低功耗參數(shù)(工作模式)的設定以及收發(fā)數(shù)據(jù)包，并可通過編程來實現(xiàn)I／O控制、A／D采集、PWM輸出、定位等功能。