基于Zigbee的船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件的設(shè)計(jì)的只是完成了協(xié)議棧中物理層的一些功能，而物理層以上的功能單獨(dú)依靠硬件則是不能實(shí)現(xiàn)的，它還需要軟件的驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件使用IAR Embedded

Workbench作為開發(fā)平臺(tái)，并在Z—Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。Z—Stack是TI公司的基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，包含了Zigbee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API接口，通過調(diào)用這些接口來實(shí)現(xiàn)不同的功能。整個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)可以自動(dòng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(上級(jí)節(jié)點(diǎn))，并且一旦加入網(wǎng)路，能夠自動(dòng)建立綁定。

4.1 組網(wǎng)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)不論多復(fù)雜，都從建立網(wǎng)絡(luò)開始。當(dāng)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)以后，此時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)在應(yīng)用指定一個(gè)的網(wǎng)絡(luò)信道范圍內(nèi)進(jìn)行能量掃描，通過監(jiān)聽獲得各個(gè)信道上的能量值，并把能量值進(jìn)行排序，列出信道上的干擾值，拋棄超過最大允許的能量值的信道，在已存在網(wǎng)絡(luò)最少的信道上建立網(wǎng)絡(luò)，若信道上的存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)一樣，則在沖突和干擾最少的信道上建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)選定網(wǎng)絡(luò)信道以后，會(huì)進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置，包括網(wǎng)絡(luò)地址、PAN標(biāo)識(shí)以及擴(kuò)展PAN標(biāo)識(shí)等。當(dāng)這些參數(shù)都設(shè)置好后，網(wǎng)絡(luò)就基本建立起來了，只等待其它節(jié)點(diǎn)的加入。

組建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要由Zigbee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作的軟件部分包括初始化并組建網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)以及傳輸數(shù)據(jù)三大部分構(gòu)成。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，Zigbee協(xié)議棧會(huì)按照上節(jié)所介紹的組網(wǎng)流程去組建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，首先在系統(tǒng)初始化之后，掃描并選擇合適的信道后對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并最后確定網(wǎng)絡(luò)是否組建成功，如沒有組建成功，則協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)重新執(zhí)行上面的步驟，直至網(wǎng)絡(luò)成功組建。組網(wǎng)成功以后還不算真正的Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器還需要監(jiān)測(cè)是否有入網(wǎng)請(qǐng)求并允許有請(qǐng)求的子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并成功分配給自己點(diǎn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址后，才算組網(wǎng)成功，這只是協(xié)調(diào)器的部分任務(wù)。

上面的組網(wǎng)階段完成以后，協(xié)調(diào)器在正常工作的過程中，不斷的檢測(cè)有無數(shù)據(jù)傳送。其實(shí)，當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測(cè)到有數(shù)據(jù)的傳送時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入中斷接收狀態(tài)，在此過程中，數(shù)據(jù)會(huì)被暫時(shí)存放在指定的區(qū)域，其它外部程序以指針的形式調(diào)用這些數(shù)據(jù)。隨后，協(xié)調(diào)器會(huì)判斷數(shù)據(jù)的來源，若是上位機(jī)通過串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則認(rèn)為是命令，之后對(duì)命令會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理;若是傳感數(shù)據(jù)，則又會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，并更新存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，之后通過串口傳送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。圖4所示是其程序流程圖。

路由節(jié)點(diǎn)程序除了一些配置和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不同之外，其它基本一致。

4.2 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)要將收集到的溫度信息送到路由器或協(xié)調(diào)器，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)首先要加入網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)還要將自己綁定到第一個(gè)響應(yīng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)ZDO_StartDevice0自發(fā)的加入網(wǎng)絡(luò)，并通過函數(shù)zb_BindDevice0發(fā)出綁定請(qǐng)求，綁定成功后終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序循環(huán)調(diào)用SendData0函數(shù)周期性的發(fā)送采集到的溫度信息，采取端到端確認(rèn)的發(fā)送模式。函數(shù)zb_SendDataConfirm0可以作為指示應(yīng)答，如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)沒有指示應(yīng)答，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)解除本次綁定，重新尋找網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行綁定。圖5所示為其程序流程圖。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 通信測(cè)試

用IAR把相應(yīng)的程序分別下載到各節(jié)點(diǎn)。通過串口接入電腦，在對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，程序運(yùn)行時(shí)，便可在PC機(jī)的終端中查看到經(jīng)過處理后的的溫度數(shù)據(jù)信息(為方便測(cè)試，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行溫度的采集)。利用串口調(diào)試助手接收到的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。在此過程中，用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)對(duì)同一空間進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有極小誤差，可以滿足大部分測(cè)量需求。同時(shí)進(jìn)行了通信距離測(cè)試，在沒有路由節(jié)點(diǎn)的情況下進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室樓并有墻壁阻擋，測(cè)試結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，無線網(wǎng)絡(luò)完全可以覆蓋大部分中小型船舶機(jī)艙環(huán)境。如果需要還可以添加功放芯片CC2591，經(jīng)測(cè)試，傳播距離會(huì)成倍數(shù)增加。

5.2 功耗測(cè)試

溫度傳感節(jié)點(diǎn)的功耗問題直接影響了系統(tǒng)的壽命，在傳感節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)后就進(jìn)入休眠狀態(tài)，在完成一次數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送后，傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠低功耗狀態(tài);在休眠狀態(tài)結(jié)束時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)就會(huì)重新進(jìn)入到工作過程，可有效降低功耗。溫度傳感節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)5號(hào)電池供能，休眠狀態(tài)下電流為0.4μA，工作狀態(tài)下電流為243 mA。經(jīng)測(cè)試，兩節(jié)5號(hào)電池的正常工作時(shí)間在6個(gè)月左右，完全符合低功耗的性能需求。

6 結(jié)束語

根據(jù)船舶內(nèi)部的實(shí)際情況，以片上系統(tǒng)CC2530芯片為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的Zigbee無線船舶狀態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。它能有效解決有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布線難、擴(kuò)展性差等問題，并具有可靠性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活性高以及自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，基本能滿足對(duì)中小型船舶機(jī)艙一些重要設(shè)備、環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)控。