基于ZigBee的无线智能船模研究

2012-08-16陈增志朱现场

科技视界 2012年32期

陈增志朱现场

（上海海事大学商船学院中国上海 201306）

为利用水池实验室执行相关的水池实验，通过船舶相似性原理研究船舶性能，首先需要实现船模系统。本文详细介绍了如何实现该船模系统，利用ZigBee 无线数据透明传输[1-2]系统传输PC 机的控制信号及船模的状态信息，51 单片机小系统[3]实现船模状态传感数据的采集及直接控制船模的运动状态。

1 无线智能船模系统框图

船模系统主要由一台PC 机、一对ZigBeeCC2430 无线数据收发模块、51 单片机系统板模块、电机驱动模块及DS18B20 测温模块组成。系统总框图如下图1 所示。

图1 无线智能船模系统框图

2 ZigBee 无线数据透明传输

ZigBee 无线透明传输接口可实现双向无线数据传输[1-2]，符合IEEE802.15.4 标准。可实现点对点、点对多点或者多点之间的数据传输。上位机与ZigBee 模块进行信息的交换的数据格式，没有指令字头、结束符等数据包信息，只要上位机串口有数据输出，模块就把串口的数据以无线方式编码发送，当接收模块接收到发射模块发送的无线数据信号后进行解码，把解码后的数据按发送端的格式从串口输出，也是就是说模块对使用者来说是开放的透明的。实际使用时，使用一对集成了处理器模块和无线通信模块的CC2430 为核心的ZigBee 模块，只要将控制信息通过串口软件通过RS232 接口发送到ZigBee 协调器模块，协调器便将控制信息以无线的形式发送给路由器模块，路由器接收到数据包后进行解析，提取出控制信息，再通过RS232 接口将这些信息发送给51 单片机系统板，51 单片机便通过这些控制信息控制船模的状态。同样的，51 单片机所采集到到船模状态信息如温度以同样的方式反向传输返回给PC 机，便可以根据PC 机显示的状态信息控制船模的运动状态。透传部分的软件主要实现协调器与路由器绑定及绑定绑定完成后查询是否有数据发送过来，若有数据则将发送过来的数据封装成ZigBee 数据帧，传输到目标节点。

3 船模系统

船模系统主要由单片机系统模块、ZigBee 无线数据收发模块，螺旋桨电机驱动模块及DS18B20 测温模块组成。单片机系统模块采用51+avr 最小系统板并与DS18B20 模块集成，通过RS232 接口与ZigBee 无线数据收发模块相连，电源由电机驱动模块输出的5V 电源供给，51 单片机的P1.0-P1.3 口分别与电机驱动模块的OUTA1、OUTA2、OUTB1、OUTB2 相连，这样就可以通过对51 单片机编程测量船模内部环境的温度以及控制船模的状态了。

3.1 螺旋桨电机驱动模块

螺旋桨电机驱动模块模块电路原理图如图2 所示。采用性能稳定驱动电流足够的驱动芯片L298N，可以控制两个带动螺旋桨的直流电机。增加了为ZigBee 模块供电的3.3V 电源及为51 系统板供电的5V电源。同时LED 可指示电机的运行情况。POWER-IN 接入12V1800mAh的蓄电池。这样通过51 单片机输出的控制信号便可以控制两个螺旋桨电机的状态了。例如，当两个电机都正转时船模前进，都反转时船模时船模后退，一正转一反转、一转一停或一快一慢时船模转弯，使用PWM 信号调节船模速度。

图2 螺旋桨电机驱动模块模块电路原理图

3.2 DS18B20 模块集成

DSl8B20 测量精度高，测量范围从-55℃到125℃，增值量为0.5℃。只要简单的编程，就可以分别在93.75ms 和750ms 内把温度转化成9 位和12 位的数字量，测得的温度值存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度值。 DSl8B20 共有3 个引脚：GND(接地)、DQ(数据输入输出)、VDD(电源)，数据的读与写只要经过数据线DQ 连接就行。可以直接通过单总线与51 单片机I／O 口连接。此外每一次读写之前都要对DSl8B20 进行复位，复位成功后发送一条ROM 指令，最后发送RAM 指令，这样才能对DSl8B20进行预定的操作。51 单片机对DSl 8B20 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DSl8820(复位)——执行ROM 功能指令——执行存储器操作指令——处理数据。最后将温度信息发送到ZigBee 无线数据收发模块传回PC 机显示。