基于ZigBee的IPS網絡化無線監測技術研究＊

武 瑾 江漢紅 楊 武 侯重遠

（海軍工程大學電氣與信息工程學院 武漢 430033）

綜合電力系統（integrated power system，IPS）將艦船發、配電與推進用電、艦載設備用電等集成在一個統一的系統內，從而實現發電、配電、電力推進用電及其他設備用電的統一調度和集中控制［1］.IPS各子模塊在空間布置上具有散布性，它們相對獨立又相互影響、相互制約.尤其在大型艦船上，IPS的散布范圍更大.因此，本文為有效地監測IPS運行狀態，采用網絡化技術對其運行狀態進行實時監測，將IPS運行的散布狀態參量加以集中管理和存儲，并對越限參量及時發出報警信息以確保艦船綜合電力系統無故障正常運轉.

1 IPS網絡化監測模型

隨著IPS的發展，電能已成為艦船上主要能量形式，對散布全艦船空間的電能進行監控、分配和管理也顯得越來越重要.圖1依據雙層網絡結構模型提出了一種IPS網絡化監測系統模型.

1.1 監測主干網

圖1 IPS網絡化監測系統模型

以太網應用于網絡化監測系統的主干網，其優勢表現在：技術成熟、應用廣泛，軟硬件資源豐富；數據傳輸率最高可達10Gb／s，可以實現IPS大規模的數據傳輸；能夠實現與艦船管理自動化網絡的無縫連接等等.然而，回路供電、低功耗、實時性、本安防爆、電磁兼容性、環境適應性等一些技術壁壘尚未得到解決，因此將以太網應用到現場層的建網方案并不可取.

1.2 監測底層網

表征IPS運行狀態的參量數目多、實時性高，增加了有線監測底層網的有效載荷量和數據傳輸的網絡時延；艦船環境極其惡劣——高濕、高溫、強振動、強電磁輻射等，加大了對有線網絡布線和維護工作的難度，因此為解決上述問題，考慮將無線組網技術應用于IPS網絡化監測底層網.

2 IPS無線監測技術方案

2.1 幾種短距離無線組網技術比較

目前，各種短距離無線組網技術層出不窮，包括藍牙（bluetooth），ZigBee，RFID，Wi－Fi等等［2］.每種無線組網技術都有各自的優勢和最擅長的應用領域，表1是它們的特點比較［3］.

表1 幾種短距離無線組網技術的比較

由表1可以看出，ZigBee的優勢主要體現在：網絡容量大、低功耗、低成本、短時延、安全可靠等，這些特點能夠很好地滿足IPS對無線網絡相關性能的要求.

2.2 基于ZigBee的監測底層網方案

ZigBee協議架構建立在IEEE802.15.4標準基礎之上.IEEE802.15.4定義了ZigBee物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）；ZigBee聯盟則定義了ZigBee網絡層、應用層和安全服務規范.應用層包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和制造商定義的應用對象［4］.

ZigBee支持星型、簇型和網狀型三種網絡拓撲.IPS無線監測底層網中選用的是網狀型網絡.網狀型網絡可以跨越較大的物理空間，適合距離較遠并且較分散的結構，另外，它能夠保證網絡的健壯性和系統的可靠性，這也是ZigBee在諸多短距離無線組網技術中的突出表現［5］.

該網絡中所有節點根據承擔任務的不同分為ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備.協調器在確定射頻通道和個域網標識后即建立一個新的ZigBee網絡，并允許鄰近路由器和終端設備加入.協調器和路由器都能進行數據轉發、路由發現及維護.終端設備是網絡中最簡單的設備，不進行數據接收和發送時即處于休眠狀態.

3 實驗驗證

3.1 ZigBee監測底層網的工程實現

以整流器散熱器的溫度監測為例進行Zig－Bee監測底層網的工程實現.在IPS電力推進子模塊中，整流器可以看作是交－直－交變頻器的一部分，將輸出直流供給逆變器，另一方面還可以供給蓄電池充電，使之作為備用電源.該監測設計中的整流器采用不可控橋式二極管整流電路，通常，二極管都會有額定的溫限，電流過大、環境溫度過高等都會影響二極管溫度的變化，因此，為保證整流器能正常工作，有必要監測散熱器的溫度.

3.1.1 硬件實現 ZigBee網絡中有三類節點：ZigBee協調器、路由器和終端設備.終端設備通過I／O端口接入一個“單總線”數字式溫度傳感器DS18B20，該傳感器非常適合于惡劣環境的現場溫度測量.圖2為ZigBee節點的結構框圖.該網絡可根據需要進行路由器和終端設備的擴充.

圖2 ZigBee節點結構框圖

節點核心芯片均選用德州儀器（TI）的CC2430片上系統，該芯片把一個高性能2.4GHz DSSS射頻收發器、一顆工業級小巧高效的8051微控器、數據程序存儲器以及外圍單元集成到同一個硅片中.CC2430針對市場需求體現出眾多優勢：降低外部雜散噪聲；減少成本；易于組裝、測試；提高系統可靠性等［6］.

3.1.2 軟件實現 軟件實現采用C語言，以TI的Z－Stack協議軟件為開發平臺，在IAR EW8051－EV－720H集成開發環境中完成程序的編譯、調試及下載，其編譯界面如圖3所示.

1）Z－Stack協議軟件 Z－Stack是TI公司對ZigBee規范的具體實現，已被ZigBee聯盟認可為ZigBee兼容平臺［7］.Z－Stack為應用程序的開發者提供了必要的應用編程接口函數（API）.該協議軟件由硬件適配層（HAL）、操作系統適配層（OSAL）、ZigBee聯盟定義的協議棧上層＋IEEE802.15.4MAC、用戶應用層和跟蹤測試等子系統構成，由圖3中的文件夾列表可以看出其大體框架.

圖3 程序編譯界面

OSAL中有一個重要的概念——任務（task）.Z－Stack中每一個子系統的運行就是在執行一個OSAL任務，開發者必須至少創建一個用戶任務（OSAL任務）.一個OSAL任務除必須事件SYS－EVENT－MSG外最多可定義15個事件.任務和事件均由標識區分，任務標識在對任務進行初始化操作時由OSAL分配，事件標識在頭文件中由開發者定義.

2）應用配置文件（Application Profile） 應用程序編寫之前需創建相應的ZigBee應用配置文件.配置文件是一種關于消息、消息格式和處理動作的協定，它使得不同設備上的應用根據協定發送命令、請求數據、處理命令／請求，從而實現可互操作的分布式應用.ZigBee配置文件由配置文件標識（Profile ID）惟一確定.

配置文件中需定義：設備描述、簇標識和服務類型.ZigBee設備用描述符對自身進行描述，描述符中的實際數據在設備描述中定義.設備描述符包括節點描述符、節點功率描述符、簡單描述符、復雜描述符和用戶描述符.簇由簇標識區分，同一個配置文件中的簇標識是惟一的.ZigBee網絡中，只有當A設備中某端點的某個輸出簇標識與B設備中某端點的某個輸入簇標識相匹配時，A與B才能綁定，從而實現信息的交換.

3）用戶應用層 該實驗通過創建App.h，App.c和OSAL＿App.c來實現用戶需求，即圖3用戶應用層App文件夾中的3個用戶程序.

App.h必須明確：（1）應用配置文件的標識；（2）分配給溫度傳感器的端點（1～240可任選）；（3）應用配置文件中包含的最大簇數和每個簇的簇標識；（4）用戶任務中的自定義事件標識等.

App.c創建一個用戶任務，除必須事件外，自定義一個用戶事件APP＿SEND＿MSG＿EVT.App.c中需構造兩個非常重要的函數：App＿Init（任務初始化）和App＿ProcessEvent（任務事件處理）.一旦運行void App＿Init（byte task＿id），OSAL子系統就分配給用戶任務一個惟一的用戶任務標識（App＿TaskID），圖4中箭頭所指向的內容就是該函數實現的主要功能.

圖4 任務初始化函數流程圖

圖5 任務事件處理函數流程圖

任務事件處理函數App＿ProcessEvent主要實現用戶的應用需求，其程序流程如圖5所示.a，b，c，d，e指代的內容為必須事件中包含的系統信息，分別是：KEY＿CHANGE（該節點上按鍵事件發生改變），AF＿DATA＿CONFIRM＿CMD（該節點發送數據后收到確認信息），AF＿INCOMING＿ MSG＿CMD（該節點收到新數據），ZDO＿NEW＿DSTADDR（該節點的ZDO在發送描述符匹配請求后收到響應信息），ZDO＿STATE＿CHANGE（該節點在ZigBee網絡中的邏輯類型：協調器、路由器或終端設備是否確定）.當events和應用事件標識相與為真時，即調用應用事件處理函數，該函數實現數據的采集和發送.

OSAL＿App.c根據任務優先級，將與應用程序有關的所有OSAL任務添加到任務列表中.每加入一個任務（調用OSAL子系統的接口函數osalTaskAdd（）），其實質就是完成任務初始化→任務事件的處理.

3.2 ZigBee監測底層網的實驗測試

實驗測試是在艦船電力推進實驗系統中進行，ZigBee節點布置完成后，將ZigBee協調器通過串口與計算機相連，使用串口調試助手軟件將采集到的溫度進行十六進制顯示，以驗證網絡的暢通和對整流器中二極管的實時監測.

實驗中，散熱器采用風冷卻法，正常工作情況下，其測得的溫度介于80～85℃之間（0500H～0550H）.實驗結果如表2所列，該溫度按照程序設定每隔5s被刷新一次.ZigBee網絡中的節點上電以后，即進行網絡的組建和地址的分配，經測試，從節點上電到網絡成功組建延時不超過2s.

表2 實驗結果

4 結束語

實驗結果表明：ZigBee具有抗電磁干擾能力，能適應艦船復雜多變的惡劣環境，同時Zig－Bee網狀型網絡具有很好的自組織、自愈能力.隨著ZigBee規范的不斷完善和對IPS研究的不斷深入，ZigBee技術能夠在IPS網絡化監測系統的無線底層監測網中發揮越來越重要的作用.

［1］馬偉明.艦船動力發展的方向－綜合電力系統［J］.海軍工程大學學報，2002，14（6）：1－5.

［2］Wang Ning，Zhang Naiqian，Wang Maohua.Wireless sensors in agriculture and food industry－recent development and future perspective［J］.Computers and E－lectronics in Agriculture，2006，50：1－14.

［3］金 純，羅祖秋，羅 鳳.ZigBee技術基礎及案例分析［M］.北京：國防工業出版社，2008

［4］瞿 雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［5］侯重遠，江漢紅，陳少昌.載運平臺間基于扇區天線的移動自組織網絡研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（6）：1 033－1 036.

［6］SOC降低ZigBee節點成本［DB／OL］.［2010－11－02］.http：／／www.laogu.com／wz＿9700.htm.