基于ZigBee的航材倉庫監測系統電路低功耗設計

李志堅，楊 媛

（南京市溧水區科技成果轉化服務中心，江蘇 南京 211200）

基于ZigBee的航材倉庫監測系統電路低功耗設計

李志堅，楊 媛

（南京市溧水區科技成果轉化服務中心，江蘇 南京 211200）

文章針對航材倉庫具體物資的實時監測問題，設計了一種基于ZigBee的新型低功耗監測系統。該系統以ZigBee為傳輸模塊，利用UTC系列無線模塊與開關電路實現電源的低功耗設計。測試結果表明該系統工作穩定可靠，且具有功耗低，保密性好，抗干擾能力強等優點。

ZigBee；航材倉庫；監測系統；低功耗

航材倉庫是空軍戰略儲備的基礎，其職能至關重要。運用科技手段對其進行實時監測，對確保物資存儲質量，提高使用效能具有重要意義［1］。航材倉庫一般使用器材包裝箱和箱內塑料封存袋來保護儲存物資，因此單點監測倉庫的整體情況遠遠不夠，需要監測系統配備監測節點對每一個物資包裝進行實時監測。監測獲得的數據需及時傳輸到上位機系統。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術，其特點是近距離、低復雜度、低成本、高保密性、自組織、低功耗等，非常適合用于航材倉庫監測系統數據的無線傳輸［1］。監測節點由于相對分散，只能使用電池供電，這就要求基于ZigBee傳輸的監測節點必須實現低功耗運行。

ZigBee技術通過終端節點休眠實現低功耗，例如市場廣泛應用的TI公司生產的CC2530芯片，但是在ZigBee終端節點休眠的情況下，它不會接收與處理上級節點發送的數據信息，因此終端節點也無法通過上級節點對其進行睡眠喚醒。而如果終端節點在休眠狀態下依然能夠接收數據，那么節點其實一直處于監聽狀態，不會節省功耗［2］。另一方面，如果使用ZigBee終端節點使用計時休眠方式運行，則只能在固定時間點將監測數據傳輸出去，無法做到實時查詢監測。

因此本文設計了一種新的基于ZigBee的航材倉庫監測系統電路，實現了系統的低功耗運行，有力的保證了航材倉庫物資儲存的安全。

1　方案設計

系統主要包括上位機、電源模塊、ZigBee傳輸模塊、監測節點4個模塊，工作流程如圖1所示，當不需要查詢數據，整個系統處于待機狀態時，電源模塊不會給ZigBee傳輸模塊與監測節點供電，只有當上位機發送查詢信號時，才會喚醒電源模塊，電源模塊為ZigBee傳輸模塊與監測節點供電，隨后ZigBee模塊提供維持電源模塊工作信號，監測節點獲取監測數據并傳輸給ZigBee傳輸模塊，由ZigBee傳輸模塊（經過路由）發送給上位機，上位機驗證是否收到準確數據，若收到正確數據回饋正常信號，否則數據重新發送。上位機可設置定時模式，定點采集監測數據，也可實時監測。當不需要監測時，上位機發送關閉電源信號，系統重新回到待機狀態。

圖1　系統工作流程

2　系統組成

系統上位機由PC機、ZigBee協調器與Power-UTC4432無線傳輸模塊組成。UTC是杭州欽泰科技有限公司設計生產的支持無線喚醒的系列無線傳輸模塊。它共有四種工作模式，如表1所示，通過set_A 和set_B 管腳可實現不同模式的設置，處于被動喚醒省電模式的模塊平均功耗僅為20uA左右［3］。Power-UTC4432模塊極限通信距離可達5公里，抗干擾能力強，將其設置為主動喚醒工作模式，可有效實現對航材倉庫內處于被動喚醒省電模式的模塊的喚醒。

表1　UTC系列無線模塊四種工作模式

set_A=0，set_B=1喚醒模式主動喚醒模塊處于喚醒狀態（定時在接收狀態與休眠狀態之間切換）。當有數據通過串口輸入時，AUX 腳被置低，并切換到發送數據狀態，同時發送長度為一個喚醒周期（如1s）的前導碼特殊喚醒數據包。發送結束后AUX腳被重新置高并轉入喚醒狀態。處于該模式下，模塊發送數據時由于有較長的前導碼，接收方處于模式1、模式2 或模式3 均可以接收到數據。模塊接收到當前信道中的特定數據后，經過CRC校驗無誤時，AUX 腳被置低，并立刻從串口輸出數據，傳輸結束后AUX腳被置高。set_A=1，set_B=0省電模式被動喚醒UART 功能關閉，來降低功耗。接收器會在一個喚醒周期（如1s）后打開，并搜索信道中是否有前導碼，如果沒有則立即進入休眠狀態等待下一個喚醒周期，如果監聽到前導碼則轉換為接收狀態，等待同步碼到來后接收數據。經過CRC校驗無誤后，置低AUX腳以喚醒下位機，隨后通過串口輸出數據。串口傳輸完成后，關閉串口，置高AUX腳，如果狀態設置沒有變化則進入休眠狀態來等待下一個喚醒周期。set_A=1，set_B=1休眠模式配置模式該模式下，模塊的CPU 主時鐘，射頻電路與外設都被關閉，耗電約0.6uA。該模式主要用于配置參數的設置。

電源模塊由開關工作電路與UTC-110L微功率模塊組成，工作電路如圖2所示，UTC-110L微功率模塊設置為被動喚醒省電模式，當電源模塊未接收到喚醒信號，處于待機狀態時，圖中AUX引腳輸出高電平，無法為ZigBee傳輸模塊與監測節點供電。當電源模塊接收到喚醒信號，AUX會在一段時間置低，此時，三極管Q2導通，三極管Q1基極獲得高電位，從而導通，將MOS管SI2303門極電位拉低，此時Q3導通，再經過穩壓二極管穩壓，電源將為ZigBee傳輸模塊與監測節點供電。

圖2　電源模塊工作電路

ZigBee傳輸模塊包括ZigBee終端節點與路由節點，當該模塊開始工作時，由一個引腳輸出高電平，維持三極管Q1導通，從而使ZigBee傳輸模塊與監測節點獲得穩定的電源。當模塊接收到關閉電源信號時，引腳置低，系統回到待機狀態。監測節點在獲得電源供應后，開始工作，將監測到的數據通過串口直接傳輸給ZigBee終端節點。

3　實驗測試

整個系統設計完成后，進行了實驗測試。圖3為上位機中ZigBee協調器與Power-UTC4432無線傳輸模塊工作電路板。圖4為電源模塊、ZigBee終端節點與監測節點工作電路板。電源模塊采用3.3V 的蓄電池供電，蓄電池的總電量為3800mAh，因正常工作時供電要滿足額定工作電壓要求，所以，節點正常工作時使用的電量約為2100mAh。

圖3　上位機工作電路板

圖4　電源模塊、ZigBee終端節點與監測節點工作電路板

當系統處于待機狀態時，測得電源模塊、ZigBee傳輸模塊和監測節點整個待機電流大約30uA。則系統待機工作時間t1為：

即系統可待機70000小時，換而言之系統待機功耗可忽略。

當系統進行測量與傳輸時，監測節點工作電流為30mA，ZigBee傳輸模塊發送數據的瞬時電流29mA，接收數據的瞬時電流24mA，完成一次測量消耗的總電流換算為60mA，則系統連續工作時間t2為：

系統完成一次監測過程約15秒，按每小時監測4次，即工作1分鐘計算，電源模塊可供系統工作2100小時，約3個月。

4　結語

電路，采用睡眠喚醒模式采集監測數據，實現了系統的低功耗運行，延長了蓄電池的使用壽命，將有力地保證航材倉庫物資儲存的安全。

本文設計的這種新的基于ZigBee的航材倉庫監測系統

［1］柏亞林.航材倉庫溫濕度無線自動監控系統的設計與實現［D］.南京：南京大學，2015.

［2］楊朋偉.基于Zigbee的低功耗數據采集系統設計［D］.西安：西安工業大學，2009.

［3］杭州欽泰科技有限公司.無線模塊UTC用戶使用手冊［M］.杭州：杭州欽泰科技，2011.

Design of Low Power Consumption of Air Material Warehouse Monitoring System Based on ZigBee

Li Zhijian， Yang Yuan
（Lishui District of Nanjing Science and Technology Achievement Transformation Service Center， Nanjing 211200， China）

A new low power consumption monitoring system based on ZigBee was designed for the real time monitoring of the material in the aircraft.The system uses ZigBee as the transmission module， and uses the UTC series wireless module and the switch circuit to realize the low power design of the power supply.Test results show that the system is stable and reliable， and has the advantages of low power consumption， good secrecy， strong anti-interference ability and so on.

ZigBee； air material warehouse； monitoring system； low power consumption

李志堅（1988-），男，江蘇鹽城，碩士。