基于ZigBee无线通信的靶标温度数据传输系统设计

刘美琦，何峰，姜丽辉，左乐，王加科

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.上海航天控制技术研究所，上海 201109）

红外技术是研究红外辐射的产生、传输、转换探测及应用的一种高新技术，在科学研究、国防和国民经济中得到了广泛的应用。红外探测技术的迅速发展，使各种观测平台越来越多的使用红外成像装备，由此对真实客观地评估各种红外成像搜索、跟踪系统的动态性能，特别是动态环境下的前视红外、搜索与跟踪、红外告警等装备的鉴定与评价，构成了相当大的困难和挑战［1-4］。

在室外环境中动用真实目标，定量检测出红外成像系统的相关性能是较为困难的，同时作为试验鉴定对研制方提供的红外成像系统［5-7］，所针对的实验目标也难以完全覆盖，所以研制适合复杂环境下的红外靶板系统，能模拟产生物体热辐射来代替实际物体热辐射，进而形成各个模拟目标。对于评价红外光学系统探测能力而言，具有重要理论研究意义和实用价值［8-11］。而对于靶板控制与通信的方法有很多种，例如：蓝牙、WiFi、ZigBee等；其中ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低复杂度以及低成本的双向无线通信技术，主要适合领域包括远程控制和自动控制领域。

本文通过ZigBee自组网技术，设计了一种无线通信的靶标温度数据传输系统，能够实现对靶板温度测量数据的在线传输，以及通过人机交互软件界面，根据可变温外场红外测试靶标系统温控精度范围，利用无线数据传输系统，实现对靶板温度的控制。进而保证靶标在复杂工作条件下的温度测量数据的实时传输。

1 靶标主控通信系统总体设计

靶标主控通信系统包括总控计算机、中继站、协调器/路由器组、靶板各靶元的终端模块。总控计算机发出控制指令，经过TCP/IP网络协议传至中继站计算机，中继站计算机经过RS232通信协议与协调器/路由器组进行通信，再由ZigBee无线通信与靶板进行温度控制，如图1所示。

图1 主控系统组成框图

2 系统硬件设计

系统硬件设计为靶标温度数据传输系统的核心部分，主要包括ZigBee的电路设计、终端通信电路设计和协调器/路由器组的电路设计及其在A/D模数转换模块的通信部分。

2.1 ZigBee电路设计

Zigbee通信硬件采用TI公司生产的CC2530模块作为无线通信的核心器件，其实物图如图2所示，器件引脚图如图3所示。

图2 CC2530模块

图3 CC2530引脚图

该芯片工作在2.4GHz的ISM频段上，遵守IEEE 802.15.4、ZigBee通信协议。其中，Zigbee通信协议是全世界公开通用使用的无线频段，用于短距离无线传输，供开源使用，要求发射功率小于1W，一般传输距离不大于100m。而IEEE开放了2.4GHz至2.4835GHz频带，工作在此频带的设备有蓝牙、Zigbee、Wi-Fi等。其中蓝牙功率小、传输距离短，不会对系统构成电磁干扰；Zigbee的底层标准把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz。当Zigbee和Wi-Fi同时使用相同频段通信时，会产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。由于Zigbee和Wi-Fi都属于近距离通信，采用功率控制技术是克服相互干扰的有效手段。

因此，Zigbee设备其功耗较低，可考虑通过降低无线系统发射功率来减弱相互干扰，尽量避免在最大有效的作用距离（100m）内同时有Zigbee源和Wi-Fi源工作。

2.2 终端电路设计

每个靶元都需要无线通信终端来接收与发送温度控制数据，本系统中设有近240个通信终端。基于CC2530芯片的Zigbee终端电路需要实现供电、程序下载、以及与温控单片机进行TTL串口通信三个功能，供电电路通过LM1117芯片完成DC5V至DC3.3V的转换，并实现线性稳压功能，芯片3脚与5脚实现TTL串口通信功能。该芯片模块具备上电复位功能，不需另行设计复位电路，程序下载接口由PZ插座提供。具体设计电路如图4所示。

图4 终端通信电路原理图

2.3 协调器/路由器组电路设计

依据Zigbee协议的通道数目为16路，协调器/路由器电路至少制作16块PCB板，对应16通道，以减少单个通道承载的终端数目，16通道同步工作，可以提高整个控制系统的数据传输速率。该部分电路的主要功能包括芯片供电和TTL串行通信两部分，需要两块CC2530芯片模块，分别承担协调器与路由器功能，PCB板设计焊制芯片模块插座，CC2530芯片的执行程序在仿真器下载完成，直插在PCB板的插座，不再对下载器接口电路进行设计，具体设计电路如图5所示。

图5 协调器/路由器电路原理图

整个系统的靶元终端分成16组，所有协调器与路由器芯片集成在中继站的外围设备上。路由器和协调器的CC2530电路设计主要包括CC2530的电源、地线、上电复位与中继站的RS485通信。在该通信过程中采用串口转换芯片MAX3232，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，减小EMI，并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，可实现最高250kbps的无差错数据传输。中继站配置16通道RS232串行卡，每一路与对应的路由器与协调器形成串行通信总线信道。每一路对应的终端、路由器、协调器采用不同信道频率与组网IP值，避免相互干扰。

图6为单路协调器/路由器PCB板，共有16块与中继站通过CP-118U串口卡连接。该串口卡为Moxa公司的工控产品，每块CP-118U具有8路RS232串口，系统用了两块CP-118U板卡，对应16通道数据传输。

图6 协调器/路由器PCB板

3 系统软件设计

无线Zigbee数据传输软件包括终端、路由器、协调器两部分，分别运行在相应的硬件上。软件开发环境选择的是IAR Embedded Workbench（简称EW），内部带有的C/C++交叉编译器和调试器的EW是目前世界上流行使用的专业嵌入式应用开发工具。

本系统选用Embedded Workbench for MCS-51集成开发环境。系统的软件开发设计包括ZigBee协议栈的实现，基于CC2530的硬件驱动的编程和数据收发程序的实现。终端、路由器、协调器三种硬件芯片均采用同一数据协议。

3.1 数据协议

由于每个靶元的控制系统承担4个单元温度控制，4个单元温度控制数据将通过Zigbee通信通道下发至控制单片机或上传至总控系统。整个数据传输系统必须具备统一的数据结构定义,数据结构必须包括串行通信解码、Zigbee通信、控制指令、控制量、检测量、调试测试等数据内容。每个上传与下载的数据包均包括36个字节，根据不同的数据头尾及指令内容，数据将进行不同编码与解码。其数据包如下：

3.2 协调器/路由器软件设计

无线通信软件开发需要对Zigbee系统的协调器、路由器的软件进行开发，其中协调器负责组网，并下传来自中继站计算机串口行下传数据，路由器负责将无线系统的上传数据接收并发至中继站计算机的串口。图7为协调器软件工作流程，图8为路由器软件工作流程，通过CC2530芯片程序设定上电时的延时，控制每个通道的协调器先于路由器启动。通信系统数据传输流程如下：

（1）协调器启动，并发送组网信号；

（2）路由器启动，并发送路由器地址信息至协调器；

（3）协调器收到路由器的入网信号，并确定地址为01时，更新协调器中路由器地址变量值为当前路由器的短地址；

（4）协调器将路由器入网成功数据与协调器组网数据发至路由器；

（5）路由器由到数据，将以上两数据包，将数据包通过串口发送至中至继计算机；

（6）中继站计算机通过串口中断程序，解码两数据包，并记录当前通道的路由器短地址值；

（7）至此完成单通道协调器组启动，至16通道按以流程全部在中继站计算机上完成数据传输，协调器/路由器组启动完成。

图7 协调器软件工作流程图

图8 路由器软件工作流程图

3.3 终端软件工作流程

终端软件负责接收下传无线数据，经板上TTL串行数据线发至对应温控单片机，并由串口接收温控单片机的控制状态数据，发送至对应路由器。其工作流程步骤如下：

（1）确认协调器/路由器组已启动完成，终端上电，并发送组网数据至协调器，协调器16位短地址默认为0x00；

（2）协调器转化终端数据至对应通道路由器；

（3）路由器上传终端组网数据至中继站计算机；

（4）中继站计算机接收终端数据，并解码成功后，注册终端入网信息，并将该终端列入轮询列表；

（5）通定进轮询列表，中继站计算机通过协调器将发送上位机的终端控制数据发至终端；

（6）终端接收后直发终端对应温控芯片STM32；

（7）STM32芯片由串口中断程序解码上位机指令数据，并回传当前靶板四个靶元的工作状态数据至终端CC2530芯片；

（8）终端CC2530芯片将温控数据通过对应路由器发送回中继计算机，中继计算机获得对应靶板的温控数据，至此完成终端入网过程。

3.4 中继站软件显示

中继站软件负责管理整个ZigBee网络系统数据的通信，包括协调器/路由器组的入网、终端入网、网络数据上传、主控计算机数据接收并下发至每个终端、终端轮询。图9为中继站软件显示图。其中继站软件提供两部分可执行文件，分别用于系统维护与正式操作。中继站软件能够获得每个靶元执行状态全部底层数据，该数据可以判别当前靶元是否存在故障。

图9 中继站上位机软件图

4 结论

本文研制了一种可实现温度信息无线传输的红外靶标数据通信系统。该系统主要基于ZigBee无线通信原理，设计了总控计算机、中继站计算机和靶板系统各个终端靶元的三级通信结构。可实现总控计算机发出温控指令通过TCP/IP协议传输至中继站计算机，中继站计算机通过ZigBee无线通信再上传至每个靶元，同时靶元温度测量数据向下发送温控指令和数据与中继站通过ZigBee无线通信，中继站再经TCP/IP协议通信传至总控计算机进行显示。该红外靶标温度数据传输系统具有网络节点组合灵活、组网时没有空间架设上的次序要求，同时可以无线传输的功能，可大量减少系统中的数据传输线路等优点。