基于Zigbee的船舶狀態監控系統的設計與實現

4 系統軟件設計

硬件的設計的只是完成了協議棧中物理層的一些功能，而物理層以上的功能單獨依靠硬件則是不能實現的，它還需要軟件的驅動才能實現。本系統軟件使用IAR Embedded

Workbench作為開發平臺，并在Z—Stack協議棧的基礎上進行應用軟件的開發。Z—Stack是TI公司的基于Zigbee標準的協議棧，包含了Zigbee標準描述的各層功能組件模塊，向開發人員提供了一系列的API接口，通過調用這些接口來實現不同的功能。整個應用程序運行時可以自動形成一個網絡，終端設備節點能夠主動發現路由節點或協調器節點(上級節點)，并且一旦加入網路，能夠自動建立綁定。

4.1 組網及協調器節點程序設計

Zigbee網絡的建立和維護不論多復雜，都從建立網絡開始。當協調器啟動以后，此時協調器會在應用指定一個的網絡信道范圍內進行能量掃描，通過監聽獲得各個信道上的能量值，并把能量值進行排序，列出信道上的干擾值，拋棄超過最大允許的能量值的信道，在已存在網絡最少的信道上建立網絡，若信道上的存在網絡數一樣，則在沖突和干擾最少的信道上建立網絡。當選定網絡信道以后，會進行一系列的參數設置，包括網絡地址、PAN標識以及擴展PAN標識等。當這些參數都設置好后，網絡就基本建立起來了，只等待其它節點的加入。

組建一個Zigbee網絡主要由Zigbee協議棧的網絡層實現，協調器節點工作的軟件部分包括初始化并組建網絡、允許子節點加入網絡以及傳輸數據三大部分構成。在協調器節點啟動后，Zigbee協議棧會按照上節所介紹的組網流程去組建一個Zigbee網絡，首先在系統初始化之后，掃描并選擇合適的信道后對網絡參數進行設置，并最后確定網絡是否組建成功，如沒有組建成功，則協調器節點重新執行上面的步驟，直至網絡成功組建。組網成功以后還不算真正的Zigbee傳感網絡，協調器還需要監測是否有入網請求并允許有請求的子節點加入網絡，并成功分配給自己點相應的網絡地址后，才算組網成功，這只是協調器的部分任務。

上面的組網階段完成以后，協調器在正常工作的過程中，不斷的檢測有無數據傳送。其實，當協調器檢測到有數據的傳送時，程序會自動進入中斷接收狀態，在此過程中，數據會被暫時存放在指定的區域，其它外部程序以指針的形式調用這些數據。隨后，協調器會判斷數據的來源，若是上位機通過串口發來的數據，則認為是命令，之后對命令會進行相應的處理;若是傳感數據，則又會啟動相應的數據處理程序，并更新存儲區內的數據，之后通過串口傳送至上位機進行進一步的處理。圖4所示是其程序流程圖。

路由節點程序除了一些配置和協調器節點不同之外，其它基本一致。

4.2 終端設備節點程序設計

終端設備節點要將收集到的溫度信息送到路由器或協調器，終端設備節點首先要加入網絡，與此同時，該節點還要將自己綁定到第一個響應的協調器節點或路由節點。終端設備節點通過函數ZDO_StartDevice0自發的加入網絡，并通過函數zb_BindDevice0發出綁定請求，綁定成功后終端設備節點程序循環調用SendData0函數周期性的發送采集到的溫度信息，采取端到端確認的發送模式。函數zb_SendDataConfirm0可以作為指示應答，如果協調器節點或路由節點沒有指示應答，終端設備節點會自動解除本次綁定，重新尋找網絡并進行綁定。圖5所示為其程序流程圖。

5 系統測試

5.1 通信測試

用IAR把相應的程序分別下載到各節點。通過串口接入電腦，在對串口進行相應設置后，程序運行時，便可在PC機的終端中查看到經過處理后的的溫度數據信息(為方便測試，終端設備節點只進行溫度的采集)。利用串口調試助手接收到的溫度數據如圖6所示。在此過程中，用標準溫度計對同一空間進行溫度測量，測量結果顯示和本實驗結果只有極小誤差，可以滿足大部分測量需求。同時進行了通信距離測試，在沒有路由節點的情況下進行點對點的測試，測試環境為實驗室樓并有墻壁阻擋，測試結果如表1所示。數據表明，無線網絡完全可以覆蓋大部分中小型船舶機艙環境。如果需要還可以添加功放芯片CC2591，經測試，傳播距離會成倍數增加。

5.2 功耗測試

溫度傳感節點的功耗問題直接影響了系統的壽命，在傳感節點每發送一次數據后就進入休眠狀態，在完成一次數據的采集和發送后，傳感節點會自動進入休眠低功耗狀態;在休眠狀態結束時，傳感節點就會重新進入到工作過程，可有效降低功耗。溫度傳感節點采用兩節5號電池供能，休眠狀態下電流為0.4μA，工作狀態下電流為243 mA。經測試，兩節5號電池的正常工作時間在6個月左右，完全符合低功耗的性能需求。

6 結束語

根據船舶內部的實際情況，以片上系統CC2530芯片為核心設計了一個完整的Zigbee無線船舶狀態監控網絡。它能有效解決有線監控網絡布線難、擴展性差等問題，并具有可靠性強，組網靈活性高以及自愈能力強等特點，基本能滿足對中小型船舶機艙一些重要設備、環境參數的無線監控。