一種基于ZigBee的長距離野外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)*

楊明堃

（空軍工程大學(xué) 航空機務(wù)士官學(xué)校 航空電子工程系，河南 信陽 464000）

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布控范圍日益增加。很多野外數(shù)據(jù)采集點環(huán)境惡劣，沒有市電，并且節(jié)點間距較遠(yuǎn)，對無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性、能耗及傳輸距離提出了更高要求。如何將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C是一項關(guān)鍵技術(shù)。目前，很多無線傳輸系統(tǒng)基于GPRS/CDMA，可以在GPRS/CDMA信號覆蓋的任何區(qū)域內(nèi)接收到遠(yuǎn)距離傳輸過來的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。但是，這種傳輸方式采用的是蜂窩網(wǎng)，信號的傳輸依賴信號基站，一旦基站出現(xiàn)故障，則整個網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓，而且使用這種方式傳輸，用戶要承擔(dān)通信費用[1-3]。對于沒有GPRS/CDMA信號覆蓋的野外環(huán)境，如高山、冰川等環(huán)境，這種無線傳輸系統(tǒng)將束手無策。對比當(dāng)前發(fā)展較好的WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等無線通信技術(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、成本低廉、保密安全等特點。但是，ZigBee大都應(yīng)用于近距通信，通信距離在幾百米至幾千米[4-7]。本文提出了一種基于ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳輸系統(tǒng)，通過設(shè)計節(jié)能型ZigBee節(jié)點，合理配置高增益定向天線，降低了ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)功耗，大大提高了通信距離。該系統(tǒng)具有可靠性高、能耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點，可以有效完成野外遠(yuǎn)距無線數(shù)據(jù)傳輸。

1 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

考慮到采集點無GPRS/CDMA信號、無市電、節(jié)點間距遠(yuǎn)等特點，降低ZigBee節(jié)點的能耗并提高通信距離成為設(shè)計的關(guān)鍵。采取ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計具有休眠功能的節(jié)能型ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并合理配置高增益天線，以實現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和上位機組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。各節(jié)點通過RS232串口與數(shù)據(jù)采集器通信，將采集到的數(shù)據(jù)以無線通信的方式直接或通過路由節(jié)點發(fā)送到協(xié)調(diào)器，然后通過RS232串口匯集到上位機PC，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3種類型。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理整個網(wǎng)絡(luò)，路由器具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)及路由發(fā)現(xiàn)的能力，終端設(shè)備只具有收發(fā)數(shù)據(jù)功能。ZigBee的組網(wǎng)通常為網(wǎng)狀網(wǎng)、簇狀網(wǎng)和星型網(wǎng)3種類型[8-9]。網(wǎng)狀網(wǎng)和簇狀網(wǎng)中任意兩個節(jié)點都能夠通過選擇路由相互通信，路由較為復(fù)雜，不利于節(jié)能。野外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)只需要將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，不需要各終端節(jié)點直接相互通信。因此，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更適合于野外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 節(jié)點硬件設(shè)計

本系統(tǒng)無線傳輸節(jié)點設(shè)計采用基于ZigBee技術(shù)的CC2430芯片。該芯片包括1個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的8051控制器。只需要簡單的外圍電路就可以工作，方便節(jié)點的微型化。ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)

CC2430芯片為ZigBee節(jié)點的核心，通過RS232電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集器及計算機進(jìn)行串口通信，實現(xiàn)信號的收發(fā)。同時，利用CC2430芯片的ADC接口及TTL接口，設(shè)計了2路開關(guān)量和2路模擬量輸入，可以連接常用溫度、濕度、光照等傳感器，使得各節(jié)點不僅具有無線傳輸功能，還兼?zhèn)鋽?shù)據(jù)采集功能。

圖3 ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

CC2430芯片有正常和休眠兩種工作模式。休眠模式下，流耗僅為0.9 μA，各節(jié)點的工作模式可以借助模式配置鍵通過上位機軟件進(jìn)行設(shè)置，節(jié)點類型和工作模式一旦設(shè)定，就會進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。如要改變節(jié)點類型和工作模式，則需重新配置。休眠狀態(tài)下喚醒機制分為兩種，分別是定時休眠方式和喚醒休眠方式。終端節(jié)點工作在定時休眠方式、中心節(jié)點和路由節(jié)點工作在喚醒休眠方式，在需要傳輸數(shù)據(jù)時自動喚醒上報數(shù)據(jù)，10 ms內(nèi)能準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)中各節(jié)點采用太陽能加蓄電池供電方式，實現(xiàn)免維護(hù)設(shè)計。

1.3 節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee節(jié)點的能耗與其工作狀態(tài)密切相關(guān)，各節(jié)點根據(jù)實際傳輸需求進(jìn)行喚醒，不要傳輸時處于休眠狀態(tài)，從而使能耗最小化。ZigBee節(jié)點的節(jié)點類型、工作狀態(tài)及休眠方式等，可以通過按壓配置鍵由上位機進(jìn)行設(shè)定。由于終端節(jié)點只需要傳輸本節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，因此工作在定時休眠模式以降低能耗。協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點則工作在喚醒休眠模式，以載波偵聽和串口監(jiān)測方式進(jìn)行喚醒，兩者為布爾邏輯或的關(guān)系，一旦有數(shù)據(jù)需要傳輸，立即喚醒節(jié)點進(jìn)行通道數(shù)據(jù)采集，然后監(jiān)測信道是否可用。若信道閑，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；若信道忙，則等待。ZigBee節(jié)點軟件工作流程如圖4所示。

1.4 天線配置

圖4 ZigBee節(jié)點軟件工作流程

CC2430芯片工作在2.4 GHz ISM波段，為視距傳播模式，野外環(huán)境下電波傳輸損耗為[10]：

其中，f為無線系統(tǒng)工作頻率，d為傳輸距離。

本系統(tǒng)要求無線通信距離不低于20 km，可以計算出電波空間傳播損耗約為126 dBm。

接收端信號強度由節(jié)點發(fā)射功率、收發(fā)天線增益及電波空間傳播損耗共同決定，接收信號強度為：

其中，PT為發(fā)射功率，GT為發(fā)射天線增益，GR為接收天線增益。

對于ZigBee節(jié)點，提高發(fā)射功率不利于節(jié)能，因此本系統(tǒng)采用提高天線增益的方法。CC2430芯片的發(fā)射功率約為0 dBm，靈敏度為-91 dBm。接收信號強度RSS應(yīng)不低于CC2430芯片的靈敏度。由式（2）計算可知，收發(fā)天線的增益之和應(yīng)不小于35 dB。

終端節(jié)點只需要和路由或中心節(jié)點通信，因此采用定向天線。實際安裝時，使定向天線的波瓣中心指向相應(yīng)的路由或者中心節(jié)點。中心節(jié)點和路由節(jié)點需要和多個節(jié)點進(jìn)行通信，收發(fā)各個方向的信息，通常采用全向天線。考慮到野外環(huán)境下風(fēng)阻大、安裝困難等因素，定向天線采用柵網(wǎng)拋物面天線，實物如圖5所示，增益為24 dB。全向天線采用桿式高增益全向天線，如圖6所示，增益為12 dB。這兩部天線增益之和為36 dB，滿足系統(tǒng)需求，且風(fēng)阻較小，便于野外使用。

圖5 柵網(wǎng)拋物面天線

圖6 桿式高增益全向天線

2 結(jié) 語

提出了一種基于ZigBee的野外遠(yuǎn)距無線傳輸系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸系統(tǒng)傳至上位機進(jìn)行統(tǒng)一處理，實現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)的無線采集。通過設(shè)計節(jié)能型ZigBee節(jié)點，合理配置高增益天線，實現(xiàn)了ZigBee無線傳輸系統(tǒng)的低功耗運行和遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸。此設(shè)計方案于祁連山黑河流域進(jìn)行了方案驗證和實際應(yīng)用，經(jīng)過實際的勘察選取終端節(jié)點、路由節(jié)點和中心節(jié)點，通過合理調(diào)整安裝天線，取得了良好的傳輸效果，傳輸距離可達(dá)20 km。本系統(tǒng)的設(shè)計思路也可以運用于其他領(lǐng)域，對軍事國防、教育、家庭辦公以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的智能化無線終端的研制有著很好的借鑒作用。