基于ZigBee的特种装备贮运状态监测系统设计

王 乐，王广龙，乔中涛，高凤岐

（军械工程学院纳米技术与微系统实验室，石家庄 050003）

基于ZigBee的特种装备贮运状态监测系统设计

王 乐，王广龙，乔中涛，高凤岐

（军械工程学院纳米技术与微系统实验室，石家庄 050003）

设计了一种基于ZigBee技术的实时贮运状态监测系统；系统通过MEMS传感器实现特种装备贮运状态的采集，采用CC2530模块实现数据的无线传输，以ARM微处理器STM32F407为核心实现数据的实时存储、分析与显示，并应用数字滤波算法对数据进行滤波处理，提高了检测数据的精确度；系统测试结果表明该系统对于节点信息的采集和无线传输具有较高的可靠性和稳定性，具有推广应用价值。

ZigBee技术；特种装备；监测系统；无线传感器网络

0 引言

特种装备是集机械、电子、光学、计算机等多种先进技术于一体的高科技精密设备，如何对它进行维护保养并保持良好状态是保持其性能的重要内容。装备在贮运过程中，仓库的温湿度变化，运输过程中受到的振动、冲击，搬运过程中出现的跌落等情况，有可能造成其内部结构变化或损坏甚至报废。因此，研究并监测其贮运过程中的状态信息变化对保障其性能具有重要的理论意义和实用价值。现有的装备贮运监测系统普遍采用有线连接方式，存在实时性差、成本高、布线、安装、维护困难等问题［1］。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低复杂度、低功耗的无线通信技术［2］，可以与传感器技术、微电子制造技术、嵌入式技术、控制技术结合，建立无线传感网络，适用于自动控制和远程控制领域，使监测人员摆脱复杂的布线，远离具有一定危险性的监测场所。本文基于ZigBee无线传感网络，采用CC2530和ARM微处理器设计了装备贮运状态监测系统，实现了对装备贮运过程中温度、湿度、光照强度、压强等状态信息的采集，并及时推送预警信息，通过继电器控制设备调节贮运环境，有效地实施对特种装备的健康状态监测。

1 系统设计方案

本系统主要由上位机、便携式监控终端和无线监测节点三部分组成。首先，带有各种传感器的监测节点将采集的温湿度、压力、加速度、光照等信息，通过ZigBee网络发送到监控终端中的协调器。然后，协调器通过串口将采集信息发送至ARM主控器，主控器通过对收到的数据信息进行存储、分析将各个节点的信息在OLED屏上显示。当监测节点采集到的数据超过警戒值时，监控终端会驱动蜂鸣器报警，并根据程序设定发送控制命令到监测节点。监测节点根据控制指令，通过继电器控制开关实现对风机、空调、电动遮光帘等设备的控制。最后，监控终端通过GPRS或串口将数据信息发送至上位机，上位机通过建立状态监测信息库，对监控终端采集的信息进行存储和分类管理，并将各个监测节点的状态信息实时显示，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1 无线通信模块设计

无线通信模块的核心芯片采用TI公司在2.4 GHz频段推出的支持IEEE 802.15.4／ZigBee协议的CC2530芯片。其内部集成了2.4 GHz直接序列扩频RF收发器、增强型8051 MCU内核、256KB FLASHROM和8 KB RAM、2个USART接口、12位分辨率A／D转换器；硬件支持CSMA／CA、数字化的接收信号强度指示RSSI／链路质量指示LQI和强大的DMA功能；可支持5种工作模式，能较好地满足低功耗系统的要求［3］。

为了扩展通信距离，本系统采用CC2591作为射频放大前端，它集成了PA功率放大器、LNA低噪声放大器、开关、电感器、平衡非平衡转换器（balun）、射频网络匹配电路等模块，不仅可以提高发射功率，还能够改善接收机的灵敏度，从而延长其通信距离，扩展后组网距离可达1 km以上。

CC2591只需要与CC2530的5个引脚相连就能工作，将CC2591的RF_P、RF_N分别与CC2530的RF_P、RF_N引脚相连，CC2591的HGM、EN、PA_EN引脚连接到CC2530的I／O端口P1_1、P1_4、P0_7［4］。CC2530通过控制HGM、EN、PA_EN引脚来控制CC2591的工作模式。

本系 统中STM32F407 与CC2530通信 模块 采用 异步UART模式，通过USART0串行通信接口，无需进行电平转换，只需使用（RXD、TXD）2根线来实现ZigBee模块和单片机的通信。

2.2 便携式监控终端

便携式监控终端采用ARM微处理器STM32F407VGT6为主控器，芯片内置FLASH存储器和SRAM高速存储器；提供3个12位ADC，2个DAC，12个通用16位定时器［5－6］；并提供丰富的通信接口，包括3个I2C接口，3个SPI接口，4个USART，2个UART和2个CAN总线接口等，供电电压在1.8～3.6 V，是典型的低功耗芯片，因而非常适用于电池供电的移动场合。

监控终端除了主控芯片外，还集成了EEPROM、SD卡、北斗／GPRS、电源电路、JTAG、ZigBee、USB和RS232等模块，并为矩阵键盘、OLED液晶屏提供了接口，监测终端硬件结构如图2所示。

图2 监测终端硬件结构图

2.3 无线监测节点硬件设计

无线监测节点采用CC2530作为核心处理器进行设计，该芯片提供了丰富的I／O接口，并集成了JTAG接口方便程序的下载与调试，RS232串口和USB接口方便上位机读取串口数据，主要负责传感器数据采集、数据简单处理、数据无线传输和继电器控制等功能。CC2530处理器先把采集的数据信号进行A／D转换，然后经MCU处理后，通过CC2591功放芯片发给协调器节点，监测节点硬件结构如图3所示。

图3 监测节点硬件结构图

由于储运集装箱较多，空间狭小，布线不方便，所以监测节点采用2节1.5 V干电池供电。为了降低监测节点的功耗，监测节点大部分时间处于休眠状态，由监控终端定时发送采集指令，使其进入工作模式，在完成信息采集、继电器控制及数据发送等工作后，再次进入休眠状态。

根据系统低功耗的要求，系统均选用体积小、功耗低、灵敏度和精度高的MEMS传感器。用到的几种主要的传感器型号及其技术指标如表1所示。

表1 传感器选型及其主要技术指标

3 软件设计

本系统软件主要分为上位机软件设计、便携式监控终端软件设计和无线监测节点软件设计。其中，监控终端的软件设计分为两部分，一部分基于TI公司的ZigBee 2007 PRO协议栈Z－Stack－CC2530－2.5.1a设计，实现ZigBee无线网络的建立、维护和数据的收发；另一部分在ARM编程软件Keil μVision4开发环境下，结合STM32F4标准外设库（CMSIS）采用C语言进行编写，实现采集数据的存储、处理、分析与显示等功能。无线监测节点主要实现传感器数据的采集、继电器的控制和数据的发送，这部分软件基于Z－Stack协议栈编写并加入了传感器驱动程序。

Z－Stack协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序，协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。编程时只需根据系统需求，编写特定的传感器驱动文件，应用层代码通过调用API接口即可，无需编写底层驱动部分［7－8］。

3.1 便携式监控终端软件设计

监控终端软件流程如图4所示，其工作流程如下：

1）首先进行硬件初始化，包括Systick时钟、I／O、URAT串口、无线驱动模块、SPI串口，OLED屏、矩阵键盘、FLASH存储器等。

2）ZigBee模块通过调用osal_init_system（）初始化操作系统，调用osal_Start_system（）启动操作系统，在函数MT_UartInit（）中进行串口初始化，配置串口号、波特率、流控、CRC校验位等。并在MT_UartRegister TaskID（）中登记任务号。

3）协调器根据DEFAULT_CHANLIST扫描指定信道，并选择逻辑信道，设置网络PAN_ID（由ZDAPP_CONFIG _PAN_ID指定），调用NLME_Network_Formation.Request（）建立ZigBee网络，协调器自动进入允许绑定模式（调用函数zb_AllowBind（），有节点请求加入网络时为其分配16位网络地址。

4）ARM主控器通过串口将键盘指令发送至ZigBee模块，ZigBee模块将指令转发至监测节点；收到监测节点发送的采集数据后，调用函数Sample App_MessageMSGCB（）对收到数据包进行处理，并将处理后的数据通过串口传给ARM主控器（函数zb_Send DataConfirm（））。

5）ARM主控器将采集数据进行存储与分析，当有传感器数据超过警戒值时驱动报警器报警。最后，将处理后的数据在OLED液晶屏上显示。

3.2 无线监测节点软件设计

监测节点软件流程如图5所示，其工作流程如下：

1）程序从Zmain.c文件开始，首先进行硬件初始化，包括时钟、I／O、传感器驱动模块、FLASH存储器、无线模块的MAC层等。

2）进行串口初始化，并在MT_UartRegi－ster TaskID（）中登记任务号。

3）节点初始化完成后，会发送NLME_NETWORK_ DISCOVERY.request（）寻找扫描信道，并通过zb_BindDevice（）发送入网请求，在加入网络成功后，启动任务定时器，如果收到采集指令，调用相应的传感器信息采集函数读取传感器采集数据。若收到控制指令，则根据需求调用函数Relay_Connect（）控制继电器闭合。

4）收到数据后，调用MT_UartProcessZToolData（）将数据打包，校验，生成一个消息，发给处理数据包的任务，然后协议栈通过调用函数SampleApp_Send Point ToPoint Message（）将传感器采集数据发送给监控终端中的无线通信模块。数据发送完成后，进入休眠模式。

3.3 上位机软件设计

上位机软件以Visual Studio 2010作为开发平台，使用MFC架构，并以SQL Server 2008作为数据库支持，通过RS232串口读取监控终端采集的监测节点信息，实现对各个监测节点采集数据的存储、处理与动态显示，监控界面如图6所示。

4 试验结果与分析

4.1 误包率PER和接收信号强度RSSI测试

对无线传感器网络节点误包率（Packet Error Rate，PER）和接收信号强度 （Received Signal Strength Indicator，RSSI）进行测试，PER为丢失或错误数据包总数与发送数据包总数的比值，RSSI为成功接收的前32个数据包的RSSI值的平均值［9－10］。自由空间RSSI理论值［11］为：

图4 监控终端软件流程图

图5 监测节点软件流程图

图6 上位机监控界面

实验分别在无障碍环境（操场）和有障碍环境（监控终端在室内，监测节点布置在室外）进行，发射功率为0 dBm，天线增益为3 dB。布置好节点后，监测节点每100毫秒发送1 000个包含1 000个字节的数据包到监控终端，上位机根据收到的数据包计算PER和平均RSSI值，并通过串口调试助手将其显示。距离与误包率、信号强度的关系如图7所示。

图7 节点间距离与误包率、信号强度关系图

4.2 状态信息采集与数据处理

在实际应用中，通过传感器采集到的原始数据由于环境等的影响可能混杂了一些干扰噪声，通常需要滤波，从而提高监测数据的精确度和可靠性。本文对于温湿度、气压数据采用数字滤波方法。

常用的数字滤波方法主要有以下几种：

（1）限幅滤波法。其计算公式如下：

式中，a为相邻两次采样值之差最大的可能变动范围。

（2）中位值滤波法。其计算公式如下：

（3）加权均值滤波法。其计算公式为：

式中，C0＋C1＋…＋CN－1＝1，且一般情况下C0＞C1＞…＞CN－1＞0。

（4）一阶滞后滤波。计算公式为：

式中，¯yn－1为上一次滤波的结果，a为滤波平滑系数。

对温湿度数据，本文采用限幅滤波法，以克服偶然因素引起的干扰；对气压数据，采用中位值与算术平均值复合滤波的方法，这两种方法相结合可以有效地滤除原始数据中随机噪声干扰，同时保证不造成信号细节成分的过多损失。

图8为在实验室内，利用气压传感器和的温湿度传感器测得到的温度、气压值及由气压值计算出的海拔高度值，图中水平线为测量数据的算术平均值。图9为利用中位值加算数平均值滤波算法处理过的数据。由图9可以看出，使用上述算法处理之后的数据毛刺噪声明显减少，数据较为平滑、稳定，同时所用的算法也较为简单，运算量小。

5 结束语

本文设计了基于CC2530和ARM微处理器的状态监测系统，通过对监测节点多种状态信息的采集，实现了对特种装备的可靠实时远程监控。系统无线通信模块采用CC2591作为射频放大前端，扩展了网络覆盖范围，并且对温湿度、压力等参数进行了数字滤波处理，提高了采集信息的可靠性和精确度。通过对通信距离测试，ZigBee模块间可靠通信距离可达750m，满足系统需求。

图8 原始信号波形图

图9 滤波后输出信号波形图

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Special Equipment Storage&Transportation Condition Monitoring System Based on ZigBee

Wang Le，Wang Guanglong，Qiao Zhongtao，Gao Fengqi

（Lab of Nanotechnology and Micro System，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

A real－time condition monitoring system based on ZigBee technology is presented.Signal acquisition of the special equipment storage state is realized through MEMS sensors，CC2530 module is implemented to achieve wireless transmission of data，ARM microprocessorSTM32F407 is used as core to achieve data acquisition，storage，processing and real－time display，and application of digital filtering algorithm for data filtering process to improve the accuracy of detection data.The experiments show that the system for signal acquisition and wireless transmission is with high reliability and stability，and has development and application value.

ZigBee technology；special equipment；monitoring system；wireless sensor networks

1671-4598（2016）08-0137-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.037

：TP274

：A

2016-03-03；

：2016-03-25。

王 乐（1993-），女，河南开封人，硕士研究生，主要从事嵌入式微系统开发、无线传感网络与信息融合等方向研究。

王广龙（1964-），男，山东泗水人，教授，博士生导师，主要从事纳米技术与微系统方向研究。