基于ZigBee無線通信的靶標(biāo)溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

劉美琦，何峰，姜麗輝，左樂，王加科

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

紅外技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換探測及應(yīng)用的一種高新技術(shù)，在科學(xué)研究、國防和國民經(jīng)濟(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。紅外探測技術(shù)的迅速發(fā)展，使各種觀測平臺越來越多的使用紅外成像裝備，由此對真實客觀地評估各種紅外成像搜索、跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)性能，特別是動態(tài)環(huán)境下的前視紅外、搜索與跟蹤、紅外告警等裝備的鑒定與評價，構(gòu)成了相當(dāng)大的困難和挑戰(zhàn)［1-4］。

在室外環(huán)境中動用真實目標(biāo)，定量檢測出紅外成像系統(tǒng)的相關(guān)性能是較為困難的，同時作為試驗鑒定對研制方提供的紅外成像系統(tǒng)［5-7］，所針對的實驗?zāi)繕?biāo)也難以完全覆蓋，所以研制適合復(fù)雜環(huán)境下的紅外靶板系統(tǒng)，能模擬產(chǎn)生物體熱輻射來代替實際物體熱輻射，進(jìn)而形成各個模擬目標(biāo)。對于評價紅外光學(xué)系統(tǒng)探測能力而言，具有重要理論研究意義和實用價值［8-11］。而對于靶板控制與通信的方法有很多種，例如：藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等；其中ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低復(fù)雜度以及低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合領(lǐng)域包括遠(yuǎn)程控制和自動控制領(lǐng)域。

本文通過ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種無線通信的靶標(biāo)溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對靶板溫度測量數(shù)據(jù)的在線傳輸，以及通過人機交互軟件界面，根據(jù)可變溫外場紅外測試靶標(biāo)系統(tǒng)溫控精度范圍，利用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對靶板溫度的控制。進(jìn)而保證靶標(biāo)在復(fù)雜工作條件下的溫度測量數(shù)據(jù)的實時傳輸。

1 靶標(biāo)主控通信系統(tǒng)總體設(shè)計

靶標(biāo)主控通信系統(tǒng)包括總控計算機、中繼站、協(xié)調(diào)器/路由器組、靶板各靶元的終端模塊?？偪赜嬎銠C發(fā)出控制指令，經(jīng)過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳至中繼站計算機，中繼站計算機經(jīng)過RS232通信協(xié)議與協(xié)調(diào)器/路由器組進(jìn)行通信，再由ZigBee無線通信與靶板進(jìn)行溫度控制，如圖1所示。

圖1 主控系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計為靶標(biāo)溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心部分，主要包括ZigBee的電路設(shè)計、終端通信電路設(shè)計和協(xié)調(diào)器/路由器組的電路設(shè)計及其在A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的通信部分。

2.1 ZigBee電路設(shè)計

Zigbee通信硬件采用TI公司生產(chǎn)的CC2530模塊作為無線通信的核心器件，其實物圖如圖2所示，器件引腳圖如圖3所示。

圖2 CC2530模塊

圖3 CC2530引腳圖

該芯片工作在2.4GHz的ISM頻段上，遵守IEEE 802.15.4、ZigBee通信協(xié)議。其中，Zigbee通信協(xié)議是全世界公開通用使用的無線頻段，用于短距離無線傳輸，供開源使用，要求發(fā)射功率小于1W，一般傳輸距離不大于100m。而IEEE開放了2.4GHz至2.4835GHz頻帶，工作在此頻帶的設(shè)備有藍(lán)牙、Zigbee、Wi-Fi等。其中藍(lán)牙功率小、傳輸距離短，不會對系統(tǒng)構(gòu)成電磁干擾；Zigbee的底層標(biāo)準(zhǔn)把2.4GHz的ISM頻段劃分為16個信道，每個信道帶寬為2MHz。當(dāng)Zigbee和Wi-Fi同時使用相同頻段通信時，會產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，導(dǎo)致傳輸分組沖突。由于Zigbee和Wi-Fi都屬于近距離通信，采用功率控制技術(shù)是克服相互干擾的有效手段。

因此，Zigbee設(shè)備其功耗較低，可考慮通過降低無線系統(tǒng)發(fā)射功率來減弱相互干擾，盡量避免在最大有效的作用距離（100m）內(nèi)同時有Zigbee源和Wi-Fi源工作。

2.2 終端電路設(shè)計

每個靶元都需要無線通信終端來接收與發(fā)送溫度控制數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中設(shè)有近240個通信終端?；贑C2530芯片的Zigbee終端電路需要實現(xiàn)供電、程序下載、以及與溫控單片機進(jìn)行TTL串口通信三個功能，供電電路通過LM1117芯片完成DC5V至DC3.3V的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)線性穩(wěn)壓功能，芯片3腳與5腳實現(xiàn)TTL串口通信功能。該芯片模塊具備上電復(fù)位功能，不需另行設(shè)計復(fù)位電路，程序下載接口由PZ插座提供。具體設(shè)計電路如圖4所示。

圖4 終端通信電路原理圖

2.3 協(xié)調(diào)器/路由器組電路設(shè)計

依據(jù)Zigbee協(xié)議的通道數(shù)目為16路，協(xié)調(diào)器/路由器電路至少制作16塊PCB板，對應(yīng)16通道，以減少單個通道承載的終端數(shù)目，16通道同步工作，可以提高整個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。該部分電路的主要功能包括芯片供電和TTL串行通信兩部分，需要兩塊CC2530芯片模塊，分別承擔(dān)協(xié)調(diào)器與路由器功能，PCB板設(shè)計焊制芯片模塊插座，CC2530芯片的執(zhí)行程序在仿真器下載完成，直插在PCB板的插座，不再對下載器接口電路進(jìn)行設(shè)計，具體設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器/路由器電路原理圖

整個系統(tǒng)的靶元終端分成16組，所有協(xié)調(diào)器與路由器芯片集成在中繼站的外圍設(shè)備上。路由器和協(xié)調(diào)器的CC2530電路設(shè)計主要包括CC2530的電源、地線、上電復(fù)位與中繼站的RS485通信。在該通信過程中采用串口轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器，減小EMI，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，可實現(xiàn)最高250kbps的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。中繼站配置16通道RS232串行卡，每一路與對應(yīng)的路由器與協(xié)調(diào)器形成串行通信總線信道。每一路對應(yīng)的終端、路由器、協(xié)調(diào)器采用不同信道頻率與組網(wǎng)IP值，避免相互干擾。

圖6為單路協(xié)調(diào)器/路由器PCB板，共有16塊與中繼站通過CP-118U串口卡連接。該串口卡為Moxa公司的工控產(chǎn)品，每塊CP-118U具有8路RS232串口，系統(tǒng)用了兩塊CP-118U板卡，對應(yīng)16通道數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 協(xié)調(diào)器/路由器PCB板

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線Zigbee數(shù)據(jù)傳輸軟件包括終端、路由器、協(xié)調(diào)器兩部分，分別運行在相應(yīng)的硬件上。軟件開發(fā)環(huán)境選擇的是IAR Embedded Workbench（簡稱EW），內(nèi)部帶有的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器的EW是目前世界上流行使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。

本系統(tǒng)選用Embedded Workbench for MCS-51集成開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計包括ZigBee協(xié)議棧的實現(xiàn)，基于CC2530的硬件驅(qū)動的編程和數(shù)據(jù)收發(fā)程序的實現(xiàn)。終端、路由器、協(xié)調(diào)器三種硬件芯片均采用同一數(shù)據(jù)協(xié)議。

3.1 數(shù)據(jù)協(xié)議

由于每個靶元的控制系統(tǒng)承擔(dān)4個單元溫度控制，4個單元溫度控制數(shù)據(jù)將通過Zigbee通信通道下發(fā)至控制單片機或上傳至總控系統(tǒng)。整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)必須具備統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須包括串行通信解碼、Zigbee通信、控制指令、控制量、檢測量、調(diào)試測試等數(shù)據(jù)內(nèi)容。每個上傳與下載的數(shù)據(jù)包均包括36個字節(jié)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)頭尾及指令內(nèi)容，數(shù)據(jù)將進(jìn)行不同編碼與解碼。其數(shù)據(jù)包如下：

3.2 協(xié)調(diào)器/路由器軟件設(shè)計

無線通信軟件開發(fā)需要對Zigbee系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、路由器的軟件進(jìn)行開發(fā)，其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組網(wǎng)，并下傳來自中繼站計算機串口行下傳數(shù)據(jù)，路由器負(fù)責(zé)將無線系統(tǒng)的上傳數(shù)據(jù)接收并發(fā)至中繼站計算機的串口。圖7為協(xié)調(diào)器軟件工作流程，圖8為路由器軟件工作流程，通過CC2530芯片程序設(shè)定上電時的延時，控制每個通道的協(xié)調(diào)器先于路由器啟動。通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如下：

（1）協(xié)調(diào)器啟動，并發(fā)送組網(wǎng)信號；

（2）路由器啟動，并發(fā)送路由器地址信息至協(xié)調(diào)器；

（3）協(xié)調(diào)器收到路由器的入網(wǎng)信號，并確定地址為01時，更新協(xié)調(diào)器中路由器地址變量值為當(dāng)前路由器的短地址；

（4）協(xié)調(diào)器將路由器入網(wǎng)成功數(shù)據(jù)與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)至路由器；

（5）路由器由到數(shù)據(jù)，將以上兩數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送至中至繼計算機；

（6）中繼站計算機通過串口中斷程序，解碼兩數(shù)據(jù)包，并記錄當(dāng)前通道的路由器短地址值；

（7）至此完成單通道協(xié)調(diào)器組啟動，至16通道按以流程全部在中繼站計算機上完成數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器/路由器組啟動完成。

圖7 協(xié)調(diào)器軟件工作流程圖

圖8 路由器軟件工作流程圖

3.3 終端軟件工作流程

終端軟件負(fù)責(zé)接收下傳無線數(shù)據(jù)，經(jīng)板上TTL串行數(shù)據(jù)線發(fā)至對應(yīng)溫控單片機，并由串口接收溫控單片機的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送至對應(yīng)路由器。其工作流程步驟如下：

（1）確認(rèn)協(xié)調(diào)器/路由器組已啟動完成，終端上電，并發(fā)送組網(wǎng)數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器16位短地址默認(rèn)為0x00；

（2）協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)化終端數(shù)據(jù)至對應(yīng)通道路由器；

（3）路由器上傳終端組網(wǎng)數(shù)據(jù)至中繼站計算機；

（4）中繼站計算機接收終端數(shù)據(jù)，并解碼成功后，注冊終端入網(wǎng)信息，并將該終端列入輪詢列表；

（5）通定進(jìn)輪詢列表，中繼站計算機通過協(xié)調(diào)器將發(fā)送上位機的終端控制數(shù)據(jù)發(fā)至終端；

（6）終端接收后直發(fā)終端對應(yīng)溫控芯片STM32；

（7）STM32芯片由串口中斷程序解碼上位機指令數(shù)據(jù)，并回傳當(dāng)前靶板四個靶元的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)至終端CC2530芯片；

（8）終端CC2530芯片將溫控數(shù)據(jù)通過對應(yīng)路由器發(fā)送回中繼計算機，中繼計算機獲得對應(yīng)靶板的溫控數(shù)據(jù)，至此完成終端入網(wǎng)過程。

3.4 中繼站軟件顯示

中繼站軟件負(fù)責(zé)管理整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信，包括協(xié)調(diào)器/路由器組的入網(wǎng)、終端入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上傳、主控計算機數(shù)據(jù)接收并下發(fā)至每個終端、終端輪詢。圖9為中繼站軟件顯示圖。其中繼站軟件提供兩部分可執(zhí)行文件，分別用于系統(tǒng)維護(hù)與正式操作。中繼站軟件能夠獲得每個靶元執(zhí)行狀態(tài)全部底層數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以判別當(dāng)前靶元是否存在故障。

圖9 中繼站上位機軟件圖

4 結(jié)論

本文研制了一種可實現(xiàn)溫度信息無線傳輸?shù)募t外靶標(biāo)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要基于ZigBee無線通信原理，設(shè)計了總控計算機、中繼站計算機和靶板系統(tǒng)各個終端靶元的三級通信結(jié)構(gòu)?？蓪崿F(xiàn)總控計算機發(fā)出溫控指令通過TCP/IP協(xié)議傳輸至中繼站計算機，中繼站計算機通過ZigBee無線通信再上傳至每個靶元，同時靶元溫度測量數(shù)據(jù)向下發(fā)送溫控指令和數(shù)據(jù)與中繼站通過ZigBee無線通信，中繼站再經(jīng)TCP/IP協(xié)議通信傳至總控計算機進(jìn)行顯示。該紅外靶標(biāo)溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組合靈活、組網(wǎng)時沒有空間架設(shè)上的次序要求，同時可以無線傳輸?shù)墓δ?，可大量減少系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸線路等優(yōu)點。