基于3G與ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對目前我國水質(zhì)監(jiān)測手段自動化水平低的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一套基于3G和ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心三部分組成。監(jiān)控中心由PC機(jī)或手機(jī)用戶端構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)設(shè)置和參數(shù)的顯示、查詢、存儲以及控制指令下發(fā)等功能。

關(guān)鍵詞：3G；ZigBee技術(shù)；水養(yǎng)殖；CC2530；ZigBee網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

一、系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心三部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器組成，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)時采集被監(jiān)測區(qū)域的各參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個帶有PXA270微控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，具備3G和ZigBee兩種協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸能力，接收來自ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的所有采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也能經(jīng)3G通信模塊從監(jiān)控中心獲得各種設(shè)置和控制指令，并把這些指令傳輸?shù)奖O(jiān)測端，從而實(shí)現(xiàn)對被監(jiān)測區(qū)域的設(shè)置以及參數(shù)控制等功能。監(jiān)控中心由PC機(jī)或手機(jī)用戶端構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)置和參數(shù)的顯示、查詢、存儲等功能。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種類型：星型、網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾切途W(wǎng)絡(luò)需要的中心控制節(jié)點(diǎn)少，可大大降低監(jiān)測網(wǎng)群體的總體功耗，所以本文采用星型組網(wǎng)方式。網(wǎng)絡(luò)中存在ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。在該網(wǎng)絡(luò)中ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)都使用TI公司的ZigBee芯片CC2530，它是一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，專門針對ZigBeeTM的應(yīng)用。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用來創(chuàng)建一個基于ZigBee協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與所有的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，收集網(wǎng)絡(luò)中各個終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由3部分組成：

（1）CC2530最小系統(tǒng)，包括芯片本身、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路，它是芯片能夠工作的最低要求；

（2）天線電路，它是節(jié)點(diǎn)間相互通信的基礎(chǔ)，可以根據(jù)距離和功耗的不同需求，采用不同形式的天線；

（3）CC2530和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的串口通信模塊。

（二）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能主要是接收來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。同時，接收來自監(jiān)控中心發(fā)送的指令，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的核心是一個以PXA270 ARM為處理器、Linux為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。PXA270 ARM處理器是一款性能超強(qiáng)和接口豐富的產(chǎn)品，特別是集成了Intel專利技術(shù)，能在不影響性能的前提下，最大限度地降低設(shè)備功耗，提高網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。3G模塊采用SIMCOM公司生產(chǎn)的集CDMA/GPRS/GSM為一體的SIM5218作為通信模塊。它接收來自PXA270 ARM處理器發(fā)送的控制指令，并能通過在Linux中編寫程序直接驅(qū)動連接上Internet，通過TCP/IP協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測。CC2530 ZigBee模塊在PXA270和終端節(jié)點(diǎn)之間承載數(shù)據(jù)的傳輸。一方面接收來自終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)；另一方面將來自PAX270的控制指令轉(zhuǎn)送給監(jiān)控中心。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理員，采用的是TI 公司的CC2530 芯片，TI 公司為該型號的芯片提供了符合ZigBee協(xié)議的完整協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組建和所有的ZigBee協(xié)議規(guī)定的服務(wù)與應(yīng)用。協(xié)議棧分為4層：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。軟件的設(shè)計主要是針對應(yīng)用層的應(yīng)用程序的編寫，對下層的操作調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)即可。

節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括ZigBee 協(xié)議棧的初始化及外圍硬件的初始化。接著進(jìn)行信道查詢，選擇合適的信道建立星型網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。在有ZigBee終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之后，接收ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)緩存中。最后通過串口控制SIM5218 3G模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

（二）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的程序流程與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的一樣，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)也需要進(jìn)行相應(yīng)的初始化。在初始化完成后，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)便搜尋所在區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，并向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)出申請加入網(wǎng)絡(luò)的請求，得到允許后，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)便加入到網(wǎng)絡(luò)中。然后ZigBee終端節(jié)點(diǎn)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次讀取，并把數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)發(fā)送完成并獲得協(xié)調(diào)器發(fā)送的確認(rèn)幀后馬上進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至下一次數(shù)據(jù)采集的到來。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計的基于3G與ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了新的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)公共無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，可以滿足無線遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測水域里溶解氧濃度、溫度及PH值等參數(shù)需求。與傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有安裝方便、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，只需在需要的區(qū)域放置好節(jié)點(diǎn)即可。同時，該系統(tǒng)方案的各節(jié)點(diǎn)均采用低功耗部件設(shè)計，有效地提高各設(shè)備的使用壽命。因此，將3G與ZigBee技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程無線水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)的有線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的問題，將有廣泛的應(yīng)用前景。

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[作者簡介]代紅英（1977-），女，碩士研究生，講師，研究方向：無線通信技術(shù)。