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本文作者：蘇和平郗仲平作者單位：天水師范學院

Xbeeproseries2模塊簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，最初應用于傳感器之間的近距離無線連接，它基于IEEE802.15.4協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個Zigbee網絡數傳模塊類似的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用Zigbee技術做無線傳輸：需要數據采集或監控的網點多；要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低；要求數據傳輸可性高，安全性高；設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；電池供電；地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋；現有移動網絡的覆蓋盲區；使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統。Xbeeproseries2模塊是美國DIGI公司基于Zigbee技術，專為超遠程，低數據傳輸率，高可靠性，低功耗應用而設計的無線數據傳輸模塊，在工業自動化控制及電力配電系統中獲得了廣泛的應用，該模塊主要性能如下：工作頻率2.4G,通訊距離1.6公里（明視距離），發射功率100mW(20dBm)，發射狀態電流295mA(@3.3V)，接收狀態電流45mA(@3.3V)，接收靈敏度-102dBm，RF數據傳輸率250,000bps，兼容TTL電平的異步通訊接口，模塊可工作于基于AT命令的透明傳輸模式和基于幀結構的API傳輸模式。在由一定數目的模塊構成的Zigbee網絡中，必須指定一個模塊為協調器才能啟動該網絡，其余模塊可根據其在網絡中的作用分別設定成路由器或設備終端，被稱為路由器的模塊具有中繼功能。可通過DIGI公司X-CTU軟件將模塊方便地設置成協調器、路由器或設備終端。每一模塊具有一個64位（8字節）唯一地址和16位（2字節）網絡地址，模塊之間的所有數據的傳輸都依賴于唯一地址或網絡地址。被定義為協調器的模塊，其網絡地址為0x0000。API方式可高效率傳輸數據，其數據幀格式如圖1。起始標志表示一幀的開始，數據長度占兩字節，以字節為單位標識幀數據的長度（不包含數據長度及校驗和字節），校驗和=0xFF－幀數據逐字節相加后取低8位值。API標識代碼標識API幀數據特性，其具體意義表示如表1。由API標識代碼決定了API幀數據的組成，最常用的API標識為0x10和0x90。其幀數據的組成如圖2、圖3。將16進制數據“0x010x020x030x04”發送到地址為“0013A20040552B10”的模塊的API數據包為：“0x7E，0x00，0x12，0x10，0x00，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x55，0x2B，0x10，0xFF，0xFE，0x00，0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x63”。一個典型的API數據接收包為：“0x7E，0x00，0x10，0x90，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x3A，0x5B，0x97，0x03，0xD3，0x00，0x74(T)，0x65(E)，0x73(S)，0x74(T)，0xB8”，它表示的意義是：該數據為一個API接收包，包的數據長度為16字節，該包由地址為“0013A200403A5B97”的模塊發出，數據內容為“test”。該模塊被封裝成20腳雙列直插結構。

系統構成及功能

系統由傳感器終端，具有中繼功能的路由器和報警主機三部分構成。通過基于Zigbee技術的Xbeeprose-ries2模塊組成的個域網（PAN）將其聯系起來。傳感器終端負責檢測列車到來信號并以報警主機的64位模塊地址為目標地址發送信息到報警主機，主機接收到列車到來信號后，用聲光方式告知工作人員，并對報警開始時間和確認時間進行記錄存儲。考慮到本系統在單線的應用，主機可同時工作于上行和下行兩個通道。在現場使用中遇到山包、隧道、強干擾導致通訊距離不夠時，可在適當的地方增加路由器保證通訊的暢通，為了現場的使用方便，傳感器終端、路由器及報警主機都進行了低功耗設計，對體積和重量采用最優化處理，傳感器終端和路由器可工作在實驗和運行兩種狀態，實驗狀態主要是拉距離時可從訊響器的聲音知道通信是否正常，這點對于決定路由器及傳感器的放置點非常方便。系統結構如圖4。

系統的硬件電路設計

1報警主機

報警主機作為報警網絡的服務器協調與其它模塊的通訊，主要功能如下：⑴在開始布區時，接收路由器或傳感器終端發來的tset信號，并發送應答信號；接收到路由器或傳感器終端的運行信號后，若該報警器主機是第一次應用或是在網絡復位情況下應用，則路由器或傳感器終端在由test狀態切換到運行狀態時將該節點的64位模塊地址依照其實驗順序進行記錄，以供以后定位通訊故障做依據。當檢測到上述狀態的切換是傳感器終端發出的，該路由布區狀態進入監控報警狀態。⑵在監控報警狀態，當檢測到傳感器終端發來的列車到來信號后，啟動高分貝訊響器及高亮度發光管報警，并記錄列車到來的日期時間，報警時間持續到確認鍵按下結束。在沒有列車到來信號時，報警主機每5秒給傳感器終端發送一次心跳信號并等待返回信號，如果收到返回信號，表示通信鏈路正常，否則，查詢是哪個路由器節點通訊不正常，最終在顯示屏上顯示出來并以聲光信號報警。⑶存儲5000點的報警數據，可在主機液晶屏上查詢。⑷報警主機的硬件結構框圖如5所示，考慮到系統運行在μC－OSⅡ，微控制器選用C8051F340，由于它內嵌64K程序存儲器和4KRAM及豐富的外設功能，僅需少量的外部芯片即可滿足設計要求，和無線模塊的通訊用UART0，顯示單元用PCF8576驅動字段式液晶屏，時鐘電路芯片選用PCF8583，AT24C1024用來存儲報警點數據，它們都通過C線和微控制器交換數據。圖5報警主機框圖電源管理單元主要完成系統中電源的調理，內容包括對單節鋰電池的穩壓和12V升壓，系統主電路所需電壓為3.3V，為了盡可能的提高電池的利用率，選用了壓差為140mV的TC1262低壓差穩壓器為系統的主穩壓器。升壓用DC/DC變換器，給報警單元提供足夠的功率保證有一定的響度。⑸報警單元受微控制器和主機監控電路的雙重控制，主機監控電路由X25045芯片完成，當報警主機系統正常工作時，每隔一定時間會發出一個脈沖對芯片中的看門狗定時器復位，芯片輸出低電平，當報警主機系統有問題時，將導致芯片相應管腳輸出高電位驅動訊響器發聲。

2傳感器終端

傳感器終端主要完成對列車到來的信號的檢測，并將該信號進行抗干擾處理，通過無線模塊發送到報警主機。列車到來信號的拾取采用金屬探測器原理，即利用路軌上安裝金屬探測模塊，當列車車輪掃過探測器表面時輸出一個低電平信號給微控制器。為了提高可靠性，采用兩個金屬探測模塊并行工作的方式，防止單一傳感器故障時漏報信號，當其中一個探測模塊有問題時，除了給報警主機發送列車到信息外，同時還發送相關探測模塊故障信號。探測器和傳感器終端用纜線連接，為防止纜線拉斷故障，專門在纜線中設置一根閉合導線（圖6中纜線c、d），由M_CHECK信號標志纜線連接是否正常。探測模塊與傳感器終端的連接見圖6，SIG1、SIG2信號送入傳感器終端的微控制器進行處理。傳感器終端的微控制器仍用C8051F340，內嵌DC/DC升壓模塊提供6V電壓給金屬探測模塊供電，電原理框圖如圖7。

3中繼路由器

模塊硬件結構如圖8，它主要由微控制器、Zigbee模塊和電源管理模塊構成。在系統中主要作為中繼模塊使用。和傳感器終端一樣，它同樣工作在試驗和運行兩種狀態，拉距離在試驗狀態，正常工作在運行狀態。

軟件設計

考慮到應用程序工作于實時操作系統μC－OSⅡ，軟件編程要對基于C8051F340上運行μC－OSⅡ進行移植，根據系統組成，相應軟件可分為報警主機軟件，中繼路由軟件，傳感器終端軟件。

1報警主機軟件

類似于服務器軟件，除了對路由節點、傳感器終端進行管理外，還要分別對報警主機顯示、鍵盤輸入、報警信號提示、報警數據管理等實時響應，考慮到應用的高可靠性，對通訊鏈路的工作狀況實時監測，其方法是在系統進入正常報警狀態后，每隔5秒鐘由報警主機發送心跳信號給上下行傳感器終端，傳感器終端接到報警主機的心跳信號后返回相應的應答信號，主機收到應答信號表示通信鏈路正常，否則，主機會按照布區的路由器和傳感器終端的順序依次進行查詢，最終找到不能通訊的節點，并在顯示屏上提示和產生相關的報警聲，對節點的查詢也可手工查詢，內容包括通訊鏈路是否正常，節點電池剩余電量等。主機可存儲5000組報警數據，內容包括報警時的日期時間和報經確認的日期時間，這些數據可通過主機鍵盤操作查詢，為了快速查詢，除定義了普通上下翻頁鍵外，還定義了一個×10鍵提高查詢速度，主機報警數據不能由用戶刪除，5000條記錄滿后，新的報警數據將會覆蓋早先的舊數據。報警主機的主要程序流程如圖9。圖9報警主機程序流程圖

2中繼路由軟件

此部分軟件功能單一，僅包含兩個內容，⑴、完成對主機查詢的響應；⑵、在自身電量不足時主動發信息到主機，主機返回一個應答信號完成此次信息的傳送，當收不到主機的應答信號時，則重發信息到主機直至主機應答。程序流程如圖5。

3傳感器終端軟件

由該終端所承擔的任務，決定了軟件所要實現的目的如下：⑴、檢測金屬探測模塊是否有輸出信號，若有信號輸出，還要區分是干擾信號還是正常信號，其判斷依據是如果在給定的時間間隔內連續接收到3個脈沖信號，表示為列車到信號，否則為干擾信號，列車到來信號發送給報警主機后，等待主機的確認信號，若收不到確認信號，則重發列車到來信號到主機直至主機返回確認信號。⑵、檢查兩個金屬探測模塊工作狀況，一旦發現兩個模塊輸出的脈沖不同或僅有一個模塊輸出，通過對該信息的處理，將發給報警主機，提醒工作人員更換故障金屬探測模塊。⑶、檢測傳感器終端與金屬探測模塊連接是否正常，若異常則發信息到報警主機。⑷、對來自主機心跳信號進行應答。主要程序流程見圖10。

測試結果

測試環境：⑴溫度-12℃，路由節點3個，傳感器終端1個，節點與路軌距離3米，報警主機與傳感器終端相距4000米，測試列車27趟，報警準確無誤。⑵隧道長度400米，入口、出口各布放一個路由器節點，距入口700米放置傳感器模塊，距出口1000米處設報警主機，測試列車15趟，報警準確無誤。⑶站臺設報警主機，3000米處裝傳感器終端，中間通過2個路由節點，測量列車10次，報警準確無誤。從現場測試情況看，模塊與模塊之間的擺放位置很重要，盡可能使模塊之間處于明視狀態，否則，會縮短通訊距離，在復雜環境中如隧道、拐彎、山包等情況下，只要適當增加路由節點數量即可保證使用要求。用內帶的電池在充滿電的條件下，最長連續工作時間可達40小時。在系統本身故障情況下，能給使用者提供相應設備故障報警信號。該系統已通過驗收并小批量生產。