选煤厂ZigBee无线传感器的设计

杨 硕, 蔡先锋

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

选煤厂ZigBee无线传感器的设计

杨 硕1,2, 蔡先锋1,2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

基于SOC芯片CC2530硬件平台，提出选煤厂ZigBee无线传感器的设计方案。系统阐述了射频收发电路的设计原理，针对固定节点的应用提出节能处理方案，并依据定位算法实现对移动节点的位置追踪。随机重复试验测量数据表明：ZigBee无线传感器信号质量高、功耗低、定位准确，能够满足选煤厂智能监控系统的要求。

ZigBee无线传感器；固定节点；移动节点；定位算法

现代化选煤厂是一个基于多方位因素、多操作环节的动态、复杂工程系统[1]。在选煤厂智能监控系统设计中，传感器作为工业现场前端数据采集单元，是检测系统各种环境参数、设备运行参数及生产情况的关键环节。

由于传统工业网络存在布线繁琐、拓展性能差、信号保护性弱等制约因素，在对复杂工艺的设备性能和高危作业环境的监控中，传统技术手段难以得到有效应用。为此，基于SOC芯片CC2530硬件平台，提出ZigBee无线传感器的设计方案，通过无线链路和灵活拓扑结构，自动采集数据并加以分析处理[2]，为选煤厂工控系统无线监测体系提供可实现方案。

1 射频收发单元设计方案

1.1 ZigBee 无线传感器的硬件基础

设计中以兼容ZigBee2007协议的SOC芯片CC2530为硬件基础，多容量选择的Flash闪存特点，使CC2530具有在线编程和非易失性存储器功能。单周期访问SFR、DATA及主SRAM的模式，完成中断方式下主动与空闲模式的切换，睡眠与唤醒方式的设计，实现了无线传感器的节能化处理[3]。

1.2 天线的选型

天线是无线通讯的主要部件，用于辐射、接受电磁波。选煤厂结构空间有限，设备排列密集，如何延长通信距离和保证射频通路指标质量及降低系统功耗成为天线电路选型的关键。通过分析辐射方向图、增益、带宽、极化、输入阻抗、驻波系数等参数，结合ZigBee无线传感器的特性，决定采用全面辐射方向的倒F天线[4]。

1.3 射频收发单元的设计

基于IEEE802.15.4协议标准的CC2530，工作范围在2.4～2 483.6 MHz的2.4G射频收发单元[5]，先进的RF收发器，增强型的8051单片机，可通过点与点之间快速、稳定的通信，实现ZigBee工业网络的组态。射频单元电路结构示意图如图1所示。

图1 射频单元电路结构示意图

通过芯片引脚22、23和32、33分别连接32 MHz和32.768 kHz石英晶振及两个电容构成的模块单元晶振电路，为射频单元提供精准系统时钟。芯片内引脚RF_P和RF_N是一对差分输入/输出信号引脚，由于设计中采用全面辐射方向的倒F天线，故借助分立电容和电感元件构成巴伦匹配电路，对收发信号进行调整。图1中L2、L3、C11、C12实现了差分信号与单端信号的转换，并通过L4、L5、C13构成的T型电路实现与天线电路的匹配。

1.4 发射功率的修正

高品质的射频信号质量和信号传输距离是ZigBee无线传感器优良特性的必要保证。设计中借助IAR Embedded Workbench集成环境平台，调整Z-Stack协议栈函数，修正发射功率，以增加节点间通信距离。CC2530片内单片机输出功率寄存器为TXPOWER，功率配置如表1所示。

表1 TXPOWER寄存器配置

协议栈默认设置为0XD5，为了扩展信号传输距离，将协议栈mac.radio.c文件下的TXPOWER寄存器值调整为0XF5，此时相应的输出功率为4.5 dBm。修正程序如下：

void macRadioSetTxPower(uint8 txPower)

{

halIntState_t s;

if(txPower> MAC_RADIO_TX_POWER_MAX_DBM)

{

txPower= MAC_RADIO_TX_POWER_MAX_DBM;

}

HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(s);

reqTxPower = macRadioDefsTxPowerTable[txPower];

HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(s);

/* update the radio power setting */

reqTxPower = 0xF5;

macRadioUpdateTxPower();

}

测试结果表明：修正后的传感器节点单元可实现理论距离75 m以上的有效通信。

2 定点测量节点的节能策略

选煤厂ZigBee无线传感器主要用于监控恶劣作业环境和设备运转状况，除少数节点需要移动巡查外，大部分节点处于定点测量状态，且位于工人无法频繁接近的恶劣环境中。由于工况复杂、设备载荷高、连续作业时间长，必须采取有效措施延长电池供电模式下的网络生命周期，以提高传感器品质。

2.1 睡眠模式的切换

设计中通过Z-Stack 协议栈函数定义CC2530内睡眠定时器的时间参数，控制CPU进入睡眠模式，具体控制流程如图2所示。程序初始化运行进入OSAL操作系统，系统自动查询定时器时间及中断触发事件，如果中断触发，系统就进入相应的中断事件处理函数处理中断，然后节点进入睡眠状态，睡眠定时器重新计数。定时器计数结束后，睡眠定时器中断将唤醒终端节点CC2530，与协调器或路由器进行通信，确认网络的存在并上传采集数据。

2.2 信标模式的选择

在ZigBee网状结构中，信标对于传感器节点尤为重要。由于终端节点不需要长时间侦听信道，故针对不同功能节点分别采用非信标与信标模式，以节省能耗。ZigBee网络的信标功能实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，实现了最大程度的节省能耗。

网络协调器采用信标模式工作，负责以一定的时间间隔向网络广播信标帧，激活网络中休眠模式终端节点，采集数据并上传至数据服务器。网络终端节点采用非信标模式工作，节点在大多数时间都处于睡眠模式，只在有数据收发和网络会话时激活，此时协调器为终端节点缓存数据，终端节点主动从协调器提取数据，从而实现了终端设备的周期性睡眠。

图2 CC2530片内CPU睡眠模式控制流程

3 移动巡查节点的定位跟踪设计

在借助节点建立的具有一定功能的ZigBee空间网络中，由于传感器节点位置未知而感知的数据没有应用价值，因此通过移动节点的位置信息确定数据采集和中断发生的定位功能至关重要[6-7]。由于定点测量节点部署的随机性和易失性等特点，定位方案必须满足网络的自组织性、自愈性和射频单元收发功率的健壮性，为此，依靠有限锚节点位置方案，借助定位算法分析区域中未知节点的位置信息。

ZigBee无线传感器网络是二维坐标空间，确定节点位置信息仅需测量移动节点到三个锚节点的距离。假设锚坐标分别为(x1、y1)，(x2、y2)，(x3、y3)，待定位节点坐标为(x、y)，该节点到三个锚节点的距离分别是S1、S2、S3，根据二维空间距离计算公式可得到一个非线性方程组，利用线性化方法来求解，即可得到待定位节点的坐标(x、y)，从而实现节点定位测量。

ZigBee无线传感器网络中测量节点间距离或角度的方法包括RSSI、TDOA、AOA、TOA四种[8-10]，其中RSSI和TDOA最常用。RSSI技术利用已知发射功率的RF射频信号测量锚节点接收功率，通过计算信号的传播损耗并基于理论信号传播模型，将传播损耗转化为实际距离。由于信号传播模型建模的复杂性，RSSI作为一种粗糙的测距技术，测距误差高达50%。为此，采用TDOA测距技术确定ZigBee无线传感器网络的定位方案。

以路由器为锚节点协助移动节点定位测距，利用射频RF和超声波US两种不同信号到达同一节点所产生的时间差来确定节点间的距离。基于己知的信号传播速度和两种信号到达节点的时间差 来计算距离，Δt计算式为：

(1)

由于Vus≪Vrf，故式(1)可以简化为：

d=Vus×Δt，

(2)

式中：Δt为两种信号到达节点的时间差，s；d为测量距离，m；Vus为超声波速度，约为344 m/s；Vrf为射频速度，约为3×108m/s。

与RSSI技术相比，TDOA测距技术测距精度可达到厘米级。利用TDOA测距技术完成节点距离的测量后，通过Bounding box计算法计算节点坐标，原理如图3所示。

图3 Bounding box计算法原理图

4 ZigBee无线传感器试验性组网应用

针对无线传感器在选煤厂的应用特点，设计动静态节点并采用簇型网络结构，如图4所示。

图4 动静节点试验测试图

CC2530片内单片机有多路通用IO功能，可将多种传感器与ZigBee模块相接，形成具有数据采集功能的终端节点，实现一节点多种数据量的采集。试验网络采用信标模式，终端节点设置为休眠状态，当相应指标越过警限值时，唤醒终端节点，并将采集数据传输到上一层节点。设置移动巡检节点测试设备的定位追踪功能，触发中断事件并向锚节点发送定位请求，锚节点应答并启动定时器，移动节点发射RF和US信号，锚节点接收信号后关闭定时器并计算实际距离。随机重复试验测量数据表明，计算值与测量值误差保持在0.5 m内，满足选煤厂应用的定位精度。

5 结语

根据选煤厂实际需求设计的ZigBee无线传感器具有测量范围广、灵敏度高、信号质量强、网络容量大等特点，可满足工业现场监控系统的要求。终端节点睡眠状态下的能耗降低，满足电池供电需要长时间连续作业的要求。信标模式激活休眠节点仅需15 ms，降低了终端节点传输数据时的碰撞概率，提高了信息传输的可靠性。采用TDOA测距技术，可实现移动节点的准确定位，为ZigBee无线巡检技术的广泛应用提供了一定技术探索。

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Design of ZigBee wireless sensor for coal preparation plant

YANG Shuo1,2， CAI Xian-feng1,2

(1.China Coal Technology and Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2.Coal Washing and Engineering Technology Research Center of Hebei province, Tangshan, Hebei 063012,China)

On the basis of CC2530 hardware of chip SOC, design proposal of Zigbee wireless sensor for coal preparation plant is given, in which design principle of radio frequency transmission circuit is explained as well as a method of energy conservation for fixed node is proposed, with traced position of mobile node based on location algorithm. Random repeated tests show that ZigBee wireless sensor has been able to serve intelligent monitoring system of coal preparation plant well because of the feature of high-quality signal, low power consumption and good positioning.

ZigBee wireless sensor; fixed nodes; mobile nodes; location algorithm

1001-3571(2015)05-0083-05

TD948.9

A

2015-10-12

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.022

中国煤炭科工集团科技创新基金项目(2014MS026)

杨 硕(1986—)，男，河北省唐山市人，助理工程师，从事选煤厂自动化设计工作。

E-mail：yangshuo568@126.com Tel: 18631511918