基于Zigbee的船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4 系統(tǒng)軟件設計

硬件的設計的只是完成了協(xié)議棧中物理層的一些功能，而物理層以上的功能單獨依靠硬件則是不能實現(xiàn)的，它還需要軟件的驅動才能實現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件使用IAR Embedded

Workbench作為開發(fā)平臺，并在Z—Stack協(xié)議棧的基礎上進行應用軟件的開發(fā)。Z—Stack是TI公司的基于Zigbee標準的協(xié)議棧，包含了Zigbee標準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，通過調用這些接口來實現(xiàn)不同的功能。整個應用程序運行時可以自動形成一個網絡，終端設備節(jié)點能夠主動發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點或協(xié)調器節(jié)點(上級節(jié)點)，并且一旦加入網路，能夠自動建立綁定。

4.1 組網及協(xié)調器節(jié)點程序設計

Zigbee網絡的建立和維護不論多復雜，都從建立網絡開始。當協(xié)調器啟動以后，此時協(xié)調器會在應用指定一個的網絡信道范圍內進行能量掃描，通過監(jiān)聽獲得各個信道上的能量值，并把能量值進行排序，列出信道上的干擾值，拋棄超過最大允許的能量值的信道，在已存在網絡最少的信道上建立網絡，若信道上的存在網絡數(shù)一樣，則在沖突和干擾最少的信道上建立網絡。當選定網絡信道以后，會進行一系列的參數(shù)設置，包括網絡地址、PAN標識以及擴展PAN標識等。當這些參數(shù)都設置好后，網絡就基本建立起來了，只等待其它節(jié)點的加入。

組建一個Zigbee網絡主要由Zigbee協(xié)議棧的網絡層實現(xiàn)，協(xié)調器節(jié)點工作的軟件部分包括初始化并組建網絡、允許子節(jié)點加入網絡以及傳輸數(shù)據(jù)三大部分構成。在協(xié)調器節(jié)點啟動后，Zigbee協(xié)議棧會按照上節(jié)所介紹的組網流程去組建一個Zigbee網絡，首先在系統(tǒng)初始化之后，掃描并選擇合適的信道后對網絡參數(shù)進行設置，并最后確定網絡是否組建成功，如沒有組建成功，則協(xié)調器節(jié)點重新執(zhí)行上面的步驟，直至網絡成功組建。組網成功以后還不算真正的Zigbee傳感網絡，協(xié)調器還需要監(jiān)測是否有入網請求并允許有請求的子節(jié)點加入網絡，并成功分配給自己點相應的網絡地址后，才算組網成功，這只是協(xié)調器的部分任務。

上面的組網階段完成以后，協(xié)調器在正常工作的過程中，不斷的檢測有無數(shù)據(jù)傳送。其實，當協(xié)調器檢測到有數(shù)據(jù)的傳送時，程序會自動進入中斷接收狀態(tài)，在此過程中，數(shù)據(jù)會被暫時存放在指定的區(qū)域，其它外部程序以指針的形式調用這些數(shù)據(jù)。隨后，協(xié)調器會判斷數(shù)據(jù)的來源，若是上位機通過串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則認為是命令，之后對命令會進行相應的處理;若是傳感數(shù)據(jù)，則又會啟動相應的數(shù)據(jù)處理程序，并更新存儲區(qū)內的數(shù)據(jù)，之后通過串口傳送至上位機進行進一步的處理。圖4所示是其程序流程圖。

路由節(jié)點程序除了一些配置和協(xié)調器節(jié)點不同之外，其它基本一致。

4.2 終端設備節(jié)點程序設計

終端設備節(jié)點要將收集到的溫度信息送到路由器或協(xié)調器，終端設備節(jié)點首先要加入網絡，與此同時，該節(jié)點還要將自己綁定到第一個響應的協(xié)調器節(jié)點或路由節(jié)點。終端設備節(jié)點通過函數(shù)ZDO_StartDevice0自發(fā)的加入網絡，并通過函數(shù)zb_BindDevice0發(fā)出綁定請求，綁定成功后終端設備節(jié)點程序循環(huán)調用SendData0函數(shù)周期性的發(fā)送采集到的溫度信息，采取端到端確認的發(fā)送模式。函數(shù)zb_SendDataConfirm0可以作為指示應答，如果協(xié)調器節(jié)點或路由節(jié)點沒有指示應答，終端設備節(jié)點會自動解除本次綁定，重新尋找網絡并進行綁定。圖5所示為其程序流程圖。

5 系統(tǒng)測試

5.1 通信測試

用IAR把相應的程序分別下載到各節(jié)點。通過串口接入電腦，在對串口進行相應設置后，程序運行時，便可在PC機的終端中查看到經過處理后的的溫度數(shù)據(jù)信息(為方便測試，終端設備節(jié)點只進行溫度的采集)。利用串口調試助手接收到的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。在此過程中，用標準溫度計對同一空間進行溫度測量，測量結果顯示和本實驗結果只有極小誤差，可以滿足大部分測量需求。同時進行了通信距離測試，在沒有路由節(jié)點的情況下進行點對點的測試，測試環(huán)境為實驗室樓并有墻壁阻擋，測試結果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，無線網絡完全可以覆蓋大部分中小型船舶機艙環(huán)境。如果需要還可以添加功放芯片CC2591，經測試，傳播距離會成倍數(shù)增加。

5.2 功耗測試

溫度傳感節(jié)點的功耗問題直接影響了系統(tǒng)的壽命，在傳感節(jié)點每發(fā)送一次數(shù)據(jù)后就進入休眠狀態(tài)，在完成一次數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送后，傳感節(jié)點會自動進入休眠低功耗狀態(tài);在休眠狀態(tài)結束時，傳感節(jié)點就會重新進入到工作過程，可有效降低功耗。溫度傳感節(jié)點采用兩節(jié)5號電池供能，休眠狀態(tài)下電流為0.4μA，工作狀態(tài)下電流為243 mA。經測試，兩節(jié)5號電池的正常工作時間在6個月左右，完全符合低功耗的性能需求。

6 結束語

根據(jù)船舶內部的實際情況，以片上系統(tǒng)CC2530芯片為核心設計了一個完整的Zigbee無線船舶狀態(tài)監(jiān)控網絡。它能有效解決有線監(jiān)控網絡布線難、擴展性差等問題，并具有可靠性強，組網靈活性高以及自愈能力強等特點，基本能滿足對中小型船舶機艙一些重要設備、環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)控。