基于Zigbee的儀器設(shè)備智能管理終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾德智，周華堅(jiān)，羅衡峰（.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州5060；.惠州市中心人民醫(yī)院 廣東 惠州5600）

基于Zigbee的儀器設(shè)備智能管理終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾德智1，周華堅(jiān)2，羅衡峰1
（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州510610；2.惠州市中心人民醫(yī)院 廣東 惠州516001）

基于當(dāng)前設(shè)備管理系統(tǒng)僅局限于資產(chǎn)管理且管理效率低下的現(xiàn)狀，為促進(jìn)儀器設(shè)備的科學(xué)管理。作者提出了一種通過計(jì)量?jī)x器設(shè)備電能來判定儀器設(shè)備使用狀態(tài)的方法。基于該方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于zigbee的設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大的提高了儀器設(shè)備的管理效率，促進(jìn)了儀器設(shè)備的科學(xué)管理；文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，最后總結(jié)全文并提出與RFID資產(chǎn)管理系統(tǒng)的協(xié)同工作的展望。

ZigBee；儀器設(shè)備管理；電能計(jì)量；開關(guān)機(jī)狀態(tài)

目前科研院所、醫(yī)院、高等院校、制造業(yè)企業(yè)等需要大量使用儀器設(shè)備的機(jī)構(gòu)，儀器設(shè)備管理現(xiàn)狀令人擔(dān)憂，很多單位存在著大量?jī)x器設(shè)備閑置、責(zé)任人不明確、無法定位儀器設(shè)備、管理者對(duì)單位的儀器設(shè)備使用情況全然不知等問題，這樣的現(xiàn)狀很大程度上影響著管理效率及單位信息化程度的高低。為此本文設(shè)計(jì)與研發(fā)的設(shè)備管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)和瀏覽各個(gè)設(shè)備的開關(guān)機(jī)狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、責(zé)任人，還能統(tǒng)計(jì)設(shè)備的開機(jī)率。

1 系統(tǒng)的整體的架構(gòu)

系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，底層的感知終端節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)關(guān)、設(shè)備管理軟件；其中底層感知終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備的開關(guān)機(jī)狀態(tài)等信息，每臺(tái)儀器設(shè)備都安裝一個(gè)感知終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間通過ZigBee通信，放置儀器設(shè)備的房間的節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)自組網(wǎng)的ZigBee無線傳感網(wǎng)（WSN）。

通信模塊負(fù)責(zé)終端與設(shè)備管理軟件系統(tǒng)之間的通信，這里的通信模塊是指WSN和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。每個(gè)WSN都有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在協(xié)調(diào)器上安裝串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)就能實(shí)現(xiàn)WSN和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換[1]。

設(shè)備管理軟件可以實(shí)時(shí)瀏覽設(shè)備的開關(guān)機(jī)狀態(tài)，開機(jī)率，責(zé)任人等設(shè)備狀態(tài)信息。設(shè)備管理軟件可以幫助管理者實(shí)時(shí)的了解單位所有儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的科學(xué)管理。

2 設(shè)備管理終端硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備管理終端是整個(gè)系統(tǒng)的核心，終端由8個(gè)部分組成，分別是：電能計(jì)量模塊、電源模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、ZigBee模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、處理器模塊，電源插頭插座。電能計(jì)量模塊通過計(jì)量設(shè)備使用的電能情況來判斷設(shè)備的開關(guān)機(jī)狀態(tài)，因?yàn)槊颗_(tái)設(shè)備在待機(jī)和正常運(yùn)行時(shí)都有一個(gè)功率區(qū)間段，通過對(duì)一小段時(shí)間的使用電能計(jì)量，可以判斷這個(gè)時(shí)間段內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（關(guān)機(jī)、開機(jī)啟動(dòng)中、正常運(yùn)行中、待機(jī)中）；電源模塊的作用是給嵌入式系統(tǒng)供電，環(huán)境參數(shù)采集模塊負(fù)責(zé)采集工作環(huán)境的溫度和濕度；ZigBee模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的通信；存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)保存設(shè)備的單位時(shí)間的用電量、設(shè)備的用電量等信息、設(shè)備的開關(guān)機(jī)時(shí)間；時(shí)鐘模塊給系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)間。終端的硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 設(shè)備管理終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 電能計(jì)量模塊硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用美國(guó) ADI公司的高精度電能計(jì)量 IC：AD7755，AD7755的技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求[2]，而且AD7755只在ADC和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，其他信號(hào)處理電路都采用數(shù)字電路，所以AD7755在惡劣的環(huán)境下仍能保持較高準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[3]。電能計(jì)量模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 電能計(jì)量模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.2 ZigBee通信模塊與處理器模塊

美國(guó)Ti公司的芯片CC2530是一款卓越的ZigBee SOC解決方案，該芯片問世后在國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)掀起了一股ZigBee技術(shù)應(yīng)用的熱潮。CC2530是一款集成了工業(yè)增強(qiáng)級(jí)的8051單片機(jī)內(nèi)核、在線可編程存儲(chǔ)器以及領(lǐng)先業(yè)界的射頻收發(fā)器的處理器。CC2530功耗非常低，可運(yùn)行在多種模式下，不同的運(yùn)行模式可在極短時(shí)間內(nèi)切換，更加保證其低功率消耗[4]。CC2530硬件資源豐富，集成5通道DMA功能、IEEE802.15.4 MAC定時(shí)器和3個(gè)通用定時(shí)器、32千赫茲的睡眠定時(shí)器 （帶捕獲功能）、IR發(fā)生電路[5]、支持RSSI（數(shù)字化的接收強(qiáng)度指示器）/LQI（鏈路質(zhì)量指示）、溫度傳感器和電池監(jiān)視器、12位可配置ADC（8路輸入）[6]、AES安全協(xié)處理器、兩個(gè)支持RS232和RS485串行通信協(xié)議的串行通信接口[7]、21個(gè)通用I/O、看門狗定時(shí)器?；贑C2530的上述特點(diǎn)，本文選擇其作為射頻收發(fā)芯片，同時(shí)作為整個(gè)嵌入式終端的處理器。這樣極大的節(jié)約成本同時(shí)提高系統(tǒng)可靠性。圖4是CC2530的外圍電路設(shè) 計(jì)圖。

圖4 ZigBee通信模塊電路設(shè)計(jì)

2.3 存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘模塊

基于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及成本的考慮，本系統(tǒng)選用美國(guó)DALLAS公司推出的實(shí)時(shí)、低功耗且具備涓電流充電能力的時(shí)鐘IC：DS1302。DS1302可對(duì)年月日到時(shí)分秒時(shí)間單位進(jìn)行計(jì)時(shí)，還具備閏年補(bǔ)充功能。DS1302外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，引腳X1，X2用來連接晶振，此處選用32.768 kHz的晶振，起振電容采用6PF的瓷片電容；片選引腳CE連接電源VCC，時(shí)鐘引腳和I/O引腳連接單片機(jī)的I/O接口；VCC1連接電源VCC，VCC2接入紐扣電池電路正極；出于對(duì)系統(tǒng)所需的存儲(chǔ)空間大小、占用硬件資源多少、成本等3方面的綜合考量，選擇AT公司的EEPROM芯片：AT24C16作為存儲(chǔ)IC，AT24C16提供16384位EEPROM，組織形式為2048字×8位字長(zhǎng)。AT24C16外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，VCC和寫保護(hù)WP直接連接電源VCC；時(shí)鐘接口SCL和數(shù)據(jù)接口SDA直接連接單片機(jī)I/O口。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

文中的環(huán)境參數(shù)采集，包括溫度和濕度采集，根據(jù)高精度和高可靠性、節(jié)約硬件資源以及降低成本的原則，濕度傳感器采用數(shù)字式濕度傳感器DHT11，溫度傳感器采用DS18B20。兩種傳感器都只有三個(gè)引腳，1個(gè)VCC，1個(gè)GND，1個(gè)數(shù)據(jù)接口DQ。這樣可以極大的節(jié)省IO資源。傳感器數(shù)據(jù)接口在與處理器連接時(shí)，需加上上拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件主流程圖

智能終端的主程序如圖5所示：系統(tǒng)首先上電并初始化，然后設(shè)置設(shè)備的計(jì)量參數(shù)（設(shè)備的工作電壓電流以及功率等參數(shù)），之后啟動(dòng)溫濕度數(shù)據(jù)采集程序以及啟動(dòng)電能計(jì)量程序，電能計(jì)量程序啟動(dòng)后，就能實(shí)施開機(jī)統(tǒng)計(jì)、開機(jī)率統(tǒng)計(jì)以及關(guān)機(jī)狀態(tài)判斷等工作，最后開啟數(shù)據(jù)傳輸模塊，能實(shí)時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的主流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計(jì)

3.2.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

新建網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)，ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)首先掃描信道，尋找空閑信道，創(chuàng)建新的網(wǎng)絡(luò)。如果探測(cè)到空閑的信道[8]，協(xié)調(diào)器會(huì)為新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)在信道中唯一的PAN標(biāo)識(shí)符。PAN標(biāo)識(shí)符一旦確定，說明以PAN標(biāo)示的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在，如果有新的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)掃描該信道，該協(xié)調(diào)器就會(huì)發(fā)出響應(yīng)，聲明該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在，請(qǐng)掃描其他信道[9]。此外，該ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還將選擇長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址[10]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)有兩個(gè)地址，一個(gè)是長(zhǎng)度為8字節(jié)的IEEE擴(kuò)展地址，另一個(gè)是長(zhǎng)度為2字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址，該地址是全網(wǎng)唯一的，802.15.4協(xié)議的MAC短地址就是它[11]。

ZigBee的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在確定16位的網(wǎng)絡(luò)地址后，一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)就已經(jīng)存在，然后開始允許接受其他節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)[12]。如果一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)要加入到該網(wǎng)絡(luò)，該節(jié)點(diǎn)首先通過掃描信道，探測(cè)該網(wǎng)絡(luò)周圍的其他網(wǎng)絡(luò)，如果找到了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，與該網(wǎng)絡(luò)中具備路由器功能的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后加入網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)斷開與該網(wǎng)絡(luò)的連接后，想要重新加入網(wǎng)絡(luò)，可以通過進(jìn)行孤立通知再度加入該網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點(diǎn)，均負(fù)責(zé)維護(hù)一張路由發(fā)現(xiàn)表和路由表，能參加路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以及關(guān)聯(lián)其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程圖如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

3.2.2 路由器程序設(shè)計(jì)

路由器能為終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，連接協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，使得同類型節(jié)點(diǎn)和不同類型節(jié)點(diǎn)間能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[13]。路由器設(shè)備上電初始化節(jié)點(diǎn)后，首先就是選擇信道尋找網(wǎng)絡(luò)，路由器向外發(fā)送數(shù)據(jù)包，在路由器收到協(xié)調(diào)器響應(yīng)后，就記錄下該協(xié)調(diào)器的MAC地址，并向該地址發(fā)送一個(gè)加入請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，如果收到來自協(xié)調(diào)器的確認(rèn)幀，那么路由器就繼續(xù)向該協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求分配地址的數(shù)據(jù)包[14]，當(dāng)?shù)玫絹碜詤f(xié)調(diào)器的含有短地址的包后，就把該地址配置為自己的短地址，利用這個(gè)短地址就能和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信了，也就表示路由器己經(jīng)成功加入到了網(wǎng)絡(luò)中[15]。路由器的工作流程圖如圖7所示。

3.3 電能計(jì)量模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后開始初始化過程，設(shè)置T1為外部計(jì)數(shù)方式，對(duì)AD7755輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。T1設(shè)置為內(nèi)部定時(shí)功能，當(dāng)計(jì)時(shí)一段時(shí)間后，就產(chǎn)生中斷，把T1的計(jì)數(shù)值讀入CPU，并計(jì)算累計(jì)的電量，寫入存儲(chǔ)器。計(jì)量模塊的程序流程如圖8所示。

圖7 路由器程序設(shè)計(jì)

圖8 電能計(jì)量模塊程序設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備智能管理終端是基于CC2530的嵌入式系統(tǒng)，終端能夠采集儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)工作電壓和電流以及工作環(huán)境的溫濕度，通過對(duì)信息的分析和處理，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)狀態(tài)的判定、開關(guān)機(jī)次數(shù)統(tǒng)計(jì)等功能；數(shù)據(jù)處理完畢后，終端能通過無線傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)供管理者實(shí)時(shí)瀏覽查看儀器設(shè)備的使用情況。本終端可增加RFID模塊，與RFID資產(chǎn)管理系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的位置信息、責(zé)任人以及儀器設(shè)備的使用情況等信息的綜合管理，進(jìn)一步提高儀器設(shè)備管理智能化和企業(yè)信息化程度。

[1]范雄飛.基于技術(shù)的單相智能電表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2014.

[2]周軍，史興才.基于ZigBee的多用戶智能電表設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表2010，47（529）:57.

[3]傅劍，梁英波.智能電表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（9）:65.

[4]曾德智.LED照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)研究及應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[5]周寧.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用[D].保定：河北大學(xué)，2010.

[6]王彤.基于Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].保定：河北大學(xué)，2012.

[7]黃澤界一種基于ZigBee技術(shù)遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]，現(xiàn)代電子技術(shù)2014，37（11）:19-21.

[8]李外云.CC2530與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[9]周鑫，朱向東，于秀波.ZigBee遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2013（3）：31-33.

[10]鮑衛(wèi)兵，陳偉杰，朱向軍.基于 ZigBee的無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（2）：34-37.

[11]郭湘勇，劉宏立，周平，等.基于技術(shù)的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（3）：551-553.

[12]張?jiān)隽?，郁曉慶.基于ZigBee和ARm9的農(nóng)田墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)水灌溉[J].節(jié)水澆灌，2011（7）：54-57.

[13]李輝，宋詩(shī)基于網(wǎng)絡(luò)芯片的智能建筑測(cè)控終端設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012（1）:42-43，46.

[14]沙國(guó)榮，趙不賄，景亮，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（1）:60-63，65.

[15]ZENG DE-zhi，WU Li-ming，LuoXin，et al.the design of a new multi-dimensionanl parameter acquisition equipment with RFID module in sensitive logistics environment[J].International Conference on Precision Mechanical Instruments and Measurement Technology，2013，347-350:1086-1089.

Design and implementation of intelligent management terminal for instrument and equipment based on ZigBee

ZENG De-zhi1，ZHOU Hua-jian2，LUO Heng-feng1
（1.The Fifth Research Institute of Miit，Guangzhou 510610，China；2.HuiZhou Municipal Central Hospital，Huizhou 516001，China）

Based on the current equipment management system is limited to the current situation of asset management and low management efficiency，to promote the scientific management of equipment.The author presents a method to determine the state of use of the instrument and equipment by measuring the electrical energy of the instrument.Based on this method，the equipment management system based on ZigBee is designed and implemented.The system greatly improves the management efficiency of equipment，and promote the scientific management of instrument and equipment；the article describes in detail the hardware and software design of the system，finally summarizes the full text and proposed with the expectation of RFID asset management system of collaborative work.

ZigBee；instrument and equipment management；electric energy measurement；switch machine status

TN99

A

1674－6236（2017）07-0031-04

2016-05-06稿件編號(hào)：201605049

曾德智（1988—），男，土家族，湖南常德人，碩士研究生，工程師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信息安全。