基于ZigBee無線通信的靶標溫度數據傳輸系統設計

劉美琦，何峰，姜麗輝，左樂，王加科

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.上海航天控制技術研究所，上海 201109）

紅外技術是研究紅外輻射的產生、傳輸、轉換探測及應用的一種高新技術，在科學研究、國防和國民經濟中得到了廣泛的應用。紅外探測技術的迅速發展，使各種觀測平臺越來越多的使用紅外成像裝備，由此對真實客觀地評估各種紅外成像搜索、跟蹤系統的動態性能，特別是動態環境下的前視紅外、搜索與跟蹤、紅外告警等裝備的鑒定與評價，構成了相當大的困難和挑戰［1-4］。

在室外環境中動用真實目標，定量檢測出紅外成像系統的相關性能是較為困難的，同時作為試驗鑒定對研制方提供的紅外成像系統［5-7］，所針對的實驗目標也難以完全覆蓋，所以研制適合復雜環境下的紅外靶板系統，能模擬產生物體熱輻射來代替實際物體熱輻射，進而形成各個模擬目標。對于評價紅外光學系統探測能力而言，具有重要理論研究意義和實用價值［8-11］。而對于靶板控制與通信的方法有很多種，例如：藍牙、WiFi、ZigBee等；其中ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低復雜度以及低成本的雙向無線通信技術，主要適合領域包括遠程控制和自動控制領域。

本文通過ZigBee自組網技術，設計了一種無線通信的靶標溫度數據傳輸系統，能夠實現對靶板溫度測量數據的在線傳輸，以及通過人機交互軟件界面，根據可變溫外場紅外測試靶標系統溫控精度范圍，利用無線數據傳輸系統，實現對靶板溫度的控制。進而保證靶標在復雜工作條件下的溫度測量數據的實時傳輸。

1 靶標主控通信系統總體設計

靶標主控通信系統包括總控計算機、中繼站、協調器/路由器組、靶板各靶元的終端模塊。總控計算機發出控制指令，經過TCP/IP網絡協議傳至中繼站計算機，中繼站計算機經過RS232通信協議與協調器/路由器組進行通信，再由ZigBee無線通信與靶板進行溫度控制，如圖1所示。

圖1 主控系統組成框圖

2 系統硬件設計

系統硬件設計為靶標溫度數據傳輸系統的核心部分，主要包括ZigBee的電路設計、終端通信電路設計和協調器/路由器組的電路設計及其在A/D模數轉換模塊的通信部分。

2.1 ZigBee電路設計

Zigbee通信硬件采用TI公司生產的CC2530模塊作為無線通信的核心器件，其實物圖如圖2所示，器件引腳圖如圖3所示。

圖2 CC2530模塊

圖3 CC2530引腳圖

該芯片工作在2.4GHz的ISM頻段上，遵守IEEE 802.15.4、ZigBee通信協議。其中，Zigbee通信協議是全世界公開通用使用的無線頻段，用于短距離無線傳輸，供開源使用，要求發射功率小于1W，一般傳輸距離不大于100m。而IEEE開放了2.4GHz至2.4835GHz頻帶，工作在此頻帶的設備有藍牙、Zigbee、Wi-Fi等。其中藍牙功率小、傳輸距離短，不會對系統構成電磁干擾；Zigbee的底層標準把2.4GHz的ISM頻段劃分為16個信道，每個信道帶寬為2MHz。當Zigbee和Wi-Fi同時使用相同頻段通信時，會產生帶內有色噪聲干擾，導致傳輸分組沖突。由于Zigbee和Wi-Fi都屬于近距離通信，采用功率控制技術是克服相互干擾的有效手段。

因此，Zigbee設備其功耗較低，可考慮通過降低無線系統發射功率來減弱相互干擾，盡量避免在最大有效的作用距離（100m）內同時有Zigbee源和Wi-Fi源工作。

2.2 終端電路設計

每個靶元都需要無線通信終端來接收與發送溫度控制數據，本系統中設有近240個通信終端。基于CC2530芯片的Zigbee終端電路需要實現供電、程序下載、以及與溫控單片機進行TTL串口通信三個功能，供電電路通過LM1117芯片完成DC5V至DC3.3V的轉換，并實現線性穩壓功能，芯片3腳與5腳實現TTL串口通信功能。該芯片模塊具備上電復位功能，不需另行設計復位電路，程序下載接口由PZ插座提供。具體設計電路如圖4所示。

圖4 終端通信電路原理圖

2.3 協調器/路由器組電路設計

依據Zigbee協議的通道數目為16路，協調器/路由器電路至少制作16塊PCB板，對應16通道，以減少單個通道承載的終端數目，16通道同步工作，可以提高整個控制系統的數據傳輸速率。該部分電路的主要功能包括芯片供電和TTL串行通信兩部分，需要兩塊CC2530芯片模塊，分別承擔協調器與路由器功能，PCB板設計焊制芯片模塊插座，CC2530芯片的執行程序在仿真器下載完成，直插在PCB板的插座，不再對下載器接口電路進行設計，具體設計電路如圖5所示。

圖5 協調器/路由器電路原理圖

整個系統的靶元終端分成16組，所有協調器與路由器芯片集成在中繼站的外圍設備上。路由器和協調器的CC2530電路設計主要包括CC2530的電源、地線、上電復位與中繼站的RS485通信。在該通信過程中采用串口轉換芯片MAX3232，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器，減小EMI，并降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，可實現最高250kbps的無差錯數據傳輸。中繼站配置16通道RS232串行卡，每一路與對應的路由器與協調器形成串行通信總線信道。每一路對應的終端、路由器、協調器采用不同信道頻率與組網IP值，避免相互干擾。

圖6為單路協調器/路由器PCB板，共有16塊與中繼站通過CP-118U串口卡連接。該串口卡為Moxa公司的工控產品，每塊CP-118U具有8路RS232串口，系統用了兩塊CP-118U板卡，對應16通道數據傳輸。

圖6 協調器/路由器PCB板

3 系統軟件設計

無線Zigbee數據傳輸軟件包括終端、路由器、協調器兩部分，分別運行在相應的硬件上。軟件開發環境選擇的是IAR Embedded Workbench（簡稱EW），內部帶有的C/C++交叉編譯器和調試器的EW是目前世界上流行使用的專業嵌入式應用開發工具。

本系統選用Embedded Workbench for MCS-51集成開發環境。系統的軟件開發設計包括ZigBee協議棧的實現，基于CC2530的硬件驅動的編程和數據收發程序的實現。終端、路由器、協調器三種硬件芯片均采用同一數據協議。

3.1 數據協議

由于每個靶元的控制系統承擔4個單元溫度控制，4個單元溫度控制數據將通過Zigbee通信通道下發至控制單片機或上傳至總控系統。整個數據傳輸系統必須具備統一的數據結構定義,數據結構必須包括串行通信解碼、Zigbee通信、控制指令、控制量、檢測量、調試測試等數據內容。每個上傳與下載的數據包均包括36個字節，根據不同的數據頭尾及指令內容，數據將進行不同編碼與解碼。其數據包如下：

3.2 協調器/路由器軟件設計

無線通信軟件開發需要對Zigbee系統的協調器、路由器的軟件進行開發，其中協調器負責組網，并下傳來自中繼站計算機串口行下傳數據，路由器負責將無線系統的上傳數據接收并發至中繼站計算機的串口。圖7為協調器軟件工作流程，圖8為路由器軟件工作流程，通過CC2530芯片程序設定上電時的延時，控制每個通道的協調器先于路由器啟動。通信系統數據傳輸流程如下：

（1）協調器啟動，并發送組網信號；

（2）路由器啟動，并發送路由器地址信息至協調器；

（3）協調器收到路由器的入網信號，并確定地址為01時，更新協調器中路由器地址變量值為當前路由器的短地址；

（4）協調器將路由器入網成功數據與協調器組網數據發至路由器；

（5）路由器由到數據，將以上兩數據包，將數據包通過串口發送至中至繼計算機；

（6）中繼站計算機通過串口中斷程序，解碼兩數據包，并記錄當前通道的路由器短地址值；

（7）至此完成單通道協調器組啟動，至16通道按以流程全部在中繼站計算機上完成數據傳輸，協調器/路由器組啟動完成。

圖7 協調器軟件工作流程圖

圖8 路由器軟件工作流程圖

3.3 終端軟件工作流程

終端軟件負責接收下傳無線數據，經板上TTL串行數據線發至對應溫控單片機，并由串口接收溫控單片機的控制狀態數據，發送至對應路由器。其工作流程步驟如下：

（1）確認協調器/路由器組已啟動完成，終端上電，并發送組網數據至協調器，協調器16位短地址默認為0x00；

（2）協調器轉化終端數據至對應通道路由器；

（3）路由器上傳終端組網數據至中繼站計算機；

（4）中繼站計算機接收終端數據，并解碼成功后，注冊終端入網信息，并將該終端列入輪詢列表；

（5）通定進輪詢列表，中繼站計算機通過協調器將發送上位機的終端控制數據發至終端；

（6）終端接收后直發終端對應溫控芯片STM32；

（7）STM32芯片由串口中斷程序解碼上位機指令數據，并回傳當前靶板四個靶元的工作狀態數據至終端CC2530芯片；

（8）終端CC2530芯片將溫控數據通過對應路由器發送回中繼計算機，中繼計算機獲得對應靶板的溫控數據，至此完成終端入網過程。

3.4 中繼站軟件顯示

中繼站軟件負責管理整個ZigBee網絡系統數據的通信，包括協調器/路由器組的入網、終端入網、網絡數據上傳、主控計算機數據接收并下發至每個終端、終端輪詢。圖9為中繼站軟件顯示圖。其中繼站軟件提供兩部分可執行文件，分別用于系統維護與正式操作。中繼站軟件能夠獲得每個靶元執行狀態全部底層數據，該數據可以判別當前靶元是否存在故障。

圖9 中繼站上位機軟件圖

4 結論

本文研制了一種可實現溫度信息無線傳輸的紅外靶標數據通信系統。該系統主要基于ZigBee無線通信原理，設計了總控計算機、中繼站計算機和靶板系統各個終端靶元的三級通信結構。可實現總控計算機發出溫控指令通過TCP/IP協議傳輸至中繼站計算機，中繼站計算機通過ZigBee無線通信再上傳至每個靶元，同時靶元溫度測量數據向下發送溫控指令和數據與中繼站通過ZigBee無線通信，中繼站再經TCP/IP協議通信傳至總控計算機進行顯示。該紅外靶標溫度數據傳輸系統具有網絡節點組合靈活、組網時沒有空間架設上的次序要求，同時可以無線傳輸的功能，可大量減少系統中的數據傳輸線路等優點。