煤場無線自燃檢測系統中的ZigBee節點設計研究

張晶 盧智嘉 于京生

摘 要：該系統以ZigBee協議為核心進行設計，采用樹型網絡結構，利用CC2530F256作為主控及通訊芯片設計出采集終端節點、路由節點以及協調節點，實現對目標節點溫度的采集、無線傳輸、接收以及顯示等功能。通過對實驗數據分析，系統的通信距離滿足煤場溫度無線檢測的要求，溫度檢測范圍為-20℃～+120℃，分辨率1℃。

關鍵詞：ZigBee；CC2530F256；采集終端節點；路由節點；協調節點

燃煤的自燃會給煤的存儲帶來極大的安全隱患。在傳統的方式中，煤場監管通常采用的是人工巡邏的監管模式，很有可能會因為一時的疏忽導致事故發生。運用ZigBee技術組建無線網絡能夠滿足實際需求。它擁有很強的自組網和自修復能力。其中的節點設計是該系統有效運行的重要方面。

1 系統節點設計方案

1.1 節點設計框圖

1.1.1上位機

協調節點通過USB數據線連接上位機，直接上傳從子節點接收到的數據。上位機將數據通過串口調試助手軟件顯示出來，供值班人員實時觀察現場情況。

1.1.2 協調節點

協調節點的主要功能是組建網絡和上傳數據給上位機。一個ZigBee網絡——PAN（簡稱為Personal Area Network）中有且僅有一個協調節點，它是網絡的第一個設備。該設備負責啟動整個網絡，然后用分布式尋址方案來配置網絡成員的地址，這樣就可以確保每個分配出去的網絡地址在整個網絡中都是不同的。除此之外協調節點也能夠維護網絡、維護節點的綁定關系表以及幫助建立網絡中應用層及安全層的綁定等。

1.1.3 路由節點

路由器主要起到擴展網絡及路由消息的功能，這樣就可以延長傳輸距離了。擴展網絡作為網絡中潛在的父節點，能夠允許更多的設備接入網絡。路由節點只有在網狀網絡和樹狀網絡中存在，它只負責數據的轉發。

1.1.4 采集終端節點

作為在整個系統中用來實現功能的最重要環節，采集終端節點負責采集溫度并把數據上傳到路由節點。終端設備沒有能夠成為父節點的功能，它作為網絡的邊緣設備，負責與需要被監控的對象連接。終端節點只會與其父節點主動傳輸、聯系，而具體的信息路由則全部交給網絡中具有路由功能的協調器和路由器來完成。

1.2 樹型網絡拓撲結構

一般的ZigBee的網絡拓撲結構有三種，分別是星型拓撲結構、網狀拓撲結構及樹型拓撲結構。

1.2.1星型拓撲結構

星型拓撲結構是由一個協調器和若干終端節點共同構成。它是向外輻射的一種簡單的網絡結構，所需節點成本較低，而且協調器的上層網絡管理也簡單。不過它通信距離有限，只存在協調器與終端之間的通訊，所以整個網絡的數據都要靠協調器轉發，容易造成數據的丟失。

1.2.2樹型拓撲結構

相較于星型結構，樹型結構增加了路由節點設備，可以看作是多個星型拓撲結構的結合。整個樹型拓撲結構包括一個協調器節點、若干個路由節點和更多的終端節點。由協調器連接所有路由節點，然后每個路由節點再連接多個終端節點。每個節點除了能和自己的父節點或子節點實行點對點直接通信外，剩下的只能通過樹狀路由來傳送數據。由于出現了三層結構，所以網絡覆蓋的范圍大大增加。

1.2.3網狀拓撲結構

其結構與樹型拓撲結構相同，但路由規則更加靈活，通信效率有著很大的提高。除此之外，網狀結構可靠性更高，具備自組織、自愈性，有著非常強的環境適應能力。網狀拓撲結構網絡進行數據傳輸時所需的時間取決于整個骨干網的連接質量，而且空間復雜程度很高，功耗也很大。本次研究采用樹型拓撲網絡結構，能夠滿足實際需求。

2 芯片選型

主控及傳輸芯片使用CC2530F256，其中256指的是芯片的閃存大小為256KB。在此基礎上外接晶振電路、電源模塊、天線模塊、數據傳輸模塊、I/O口模塊。

3 實驗結果

限于試驗條件，采用一個協調節點，一個路由節點，兩個采集終端節點搭建無線傳輸系統，通信距離約為70m，實際應用中可以通過增加路由節點來提高傳輸距離，滿足煤場溫度無線檢測的要求，溫度檢測范圍為-20℃～+120℃，分辨率1℃。通過測試，一天之中下午兩點左右的溫度最高，所以應重點關注下午兩點左右的煤場溫度，發現溫度異常，及時采取措施。

4 結論

系統設計過程立足于ZigBee技術，使用CC2530F256作為主要控制和通信芯片的開發板上進行設計，采用樹狀網絡拓撲結構，通過測量確定了各個模塊的具體參數，實現了煤場無線溫度檢測。該系統能夠滿足預期目標，但仍有不足和待改進之處，如結果顯示界面不夠人性化等問題，后續將繼續對這些問題開展研究。

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基金項目：河北省科學技術廳項目（15270349）；河北省高等學校科學研究計劃項目（ZC2016107）；河北省科學技術廳項目（15220353）；河北省高等學校科學研究計劃項目（QN2016324）

作者簡介：張晶（1981-），女，碩士，講師，主要從事信息處理與傳輸等方面的研究。