基于Zigbee的船舶狀態監控系統的設計與實現

船舶狀態監控系統是現代船舶自動化的一個重要標志，可分為機艙內監控和機艙外監控。機艙內船舶主要機械設備的工作狀態以及機艙外船舶的運行環境是否正常，直接關系著整個船舶能否正常運行，因而對船舶相關機械設備和環境的重要參數(溫度，壓力，氣體濃度等)進行實時監控具有重要意義。目前的船舶監控模式基本為有線式的集中監控，而利用無線傳感網絡節點來替代傳統的有線的傳感網絡節點進行相關的監測和控制工作，能夠有效的解決由于船舶空間的復雜性造成的布線困難、不易維護等技術難點，此外還降低了施工人員的工作強度以及工程成本。因此，利用Zigbee無線技術進行監控，相比與有線監控技術具有許多技術優勢。

1 Zigbee技術簡介

Zigbee是一種新興的基于IEEE802.15.4無線標準開發的近距離、低復雜度、低成本、低功耗、自組織的無線組網通信技術，以2.4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術。每個具有完整功能的Zigbee節點有兩種功能：與監控對象(如傳感器節點)直接進行連接，來完成數據的采集和監控任務;此外還有簡單的路由中轉功能，在自己信號覆蓋的范圍內，與網絡中其它的承擔中轉任務的多個節點進行無線連接。由于其架構簡單，再加上節點體積小，且能自動組網，因此網絡布局十分簡單方便;再加上大量的節點能進行群體協作，網絡本身具有很強的自愈能力，任何一個節點的損壞都不會對整體任務的完成造成致命性的影響，非常適合用來組建無線傳感網絡l引。由于這些特點，Zigbee技術在將來的工業控制、家庭自動化、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫用設備等領域發揮的作用會越來越突出。

Zigbee協議標準采用分層結構，每一層為其上層提供特定服務：數據服務實體和管理實體分別提供數據傳輸服務和其他管理服務。協議棧中的每一層都通過服務訪問點(SAP)

向上層提供相應的服務，每個SAP通過服務原語來實現對應的功能。Zigbee聯盟在IEEE802.15.4標準定義的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)的基礎上定義了網絡層(NWK)、應用層(APL)以及安全服務規范。應用層由應用框架(AF)、應用支持子層(APS)、Zigbee設備對象(ZDO)以及用戶自定義的應用對象組成。用戶可以在這個標準的基礎上開發所需的應用。

2 系統總體架構設計

系統主要由Zigbee終端設備節點(傳感器節點)、路由設備節點、協調器節點和上位機監控系統組成，整體結構圖如圖1所示。基于Zigbee的船舶狀態監控系統的主要功能就是將船舶的傳感信息參數數據采集至Zigbee終端設備節點，終端設備節點通過無線網絡把采集到的數據傳輸到Zigbee路由器節點，路由器節點主要承擔數據接力功能，然后路由器節點將轉發過來的數據通過無線網絡傳輸到Zigbee協調器節點，最后協調器節點利用串行接口把數據傳送至上位機監控系統。

上位機系統部分是本系統的人機交互界面，主要負責數據的分析和顯示;協調器負責整個網絡的建立與管理，通過串口把終端設備采集到的數據傳送到上位機;路由器主要負責數據的轉發，從而擴大網絡的覆蓋發范圍;終端設備節點主要負責現場數據的收集，并把數據傳到路由器或協調器。協調器能與多個終端設備進行直接通信，路由器節點主要是起到多跳路由作用。由于船舶機艙環境復雜，無線信號極容易受到障礙物的阻擋，因此這就要求無線通信能實現多跳功能。所謂多跳無線通信就是指利用全功能節點的路由轉發功能，將數據通過轉發從而達到要求的傳輸距離或避開障礙物。Zigbee協議棧存在路由功能，只需在節點載入協議棧的路由程序，采用樹形或網狀的網絡拓撲結構就可實現多跳的無線通信。本文的設計重點是介紹Zigbee無線傳感網絡在船舶上的具體實現，因此將不討論上位機的用戶界面的具體設計。

3 系統硬件設計

本設計的硬件核心部分為TI公司生產的CC2530芯片。CC2530能以很低的材料成本以及很簡單的外部電路設計建立起非常強大的無線傳感網絡節點，而且還不用考慮射頻電路的設計，它集成了一個高性能的RF(射頻天線)收發器、一枚業界標準的增強型8501微控制器內核(MCU)以及有8K的RAM，支持四種不同版本的Flash存儲器(32/64/128/256KB)擁有強大的五通道DMA，CSMA/CA硬件支持，AES加密安全協處理器，兩個通用同步串口，支持多種串行通信協議。協調器在整個網絡中處理的數據最多，職責最重，因此協調器選擇使用存儲器是256K的CC2530芯片。由于CC2530有多種不同的運作模式和真正的片上系統(Soc)解決方案，使得很適合用在低功耗的系統中，而且不需要國語復雜的外圍電路。

3.1 協調器節點和路由器節點硬件設計

協調器與路由器的硬件模塊基本相同，最大的不同就是路由節點沒有串口電路，以下只介紹協調器的硬件設計。協調器節點是由CC2530芯片與串口模塊組成，本設計的串口

模塊選用的是MAX3232芯片來完成RS232串口數據的電平轉換。此外協調器節點還包括電源模塊、射頻天線(RF)模塊以及晶振電路等模塊。電源模塊用于為協調器節點的其它功能模塊供電，保證節點的正常運行，供電電壓為2.0～3.6V之間。RF模塊主要用于數據的無線收發和傳送。晶振模塊是兩個不同頻率的晶振，分別用于無線收發數據和休眠狀態。協調器節點硬件的結構框圖如圖2所示。

3.2 終端設備節點硬件設計

在監控系統中，分布最廣數量最多的就是終端設備節點，主要負責對船艙重要數據的收集與傳送。終端設備節點由處理器模塊(CC2530)、電源模塊、射頻天線(RF)模塊、晶

振電路模塊以及傳感器單元等模塊組成。傳感器單元模塊主要是一些溫度，濕度，氣體濃度，壓力等傳感器。另外為保證終端節點設備的靈活性，電源的供電方式一般采用兩節電池供電，因為CC2530的工作電壓在2～3.6 V，而兩節電池的電壓一般在3 V左右，因此完全能滿足其工作電壓。不過對于部分對工作電壓要求高的傳感器，電池電壓達不到其工作的最低標準時，可以使用外部直流電源為其供電。終端設備節點硬件的結構框圖如圖3所示。