基于ZigBee技术的多节点检测系统的设计

摘 要

本文介绍了一种利用 ZigBee 技术的短程无线自组网功能，实现多目标无线检测的系统，并采用该套系统用于大型军用设备的安装、调试和检测。应用结果表明，本套系统能够实现大型军用设备检测过程中的状态检测和信息无线传输功能，为大型军用设备的状态检测提供了一种智能、快速的方法。

【关键词】Zigbee 状态检测 自组网

1 引言

随着大型军用装备的快速发展和投入使用，设备的状态检测已经不能依靠传统的人工巡检来完成，大型军用设备一旦出现故障，不仅影响部队训练和作战，而且还可能造成装备自身永久性破坏，给部队带来无法弥补的损失；由于大型军用设备要求缩短设备维护时间，需对设备状态检测具有实时性和快速性，方便设备维护和故障定位；考虑到大型军用设备系统复杂，不能依靠常规布线方式增加状态检测功能。为此本文提出了一种基于ZigBee自组网的无线检测系统，实现把分散的多个检测节点组成一个网络，即把要监视的节点状态通过ZigBee无线网络发送到检测台上显示和处理，实现在线实时状态检测、报警和故障定位分析于一体的无线检测系统，提供装备寿命周期内的技术服务和维修保障服务，较好地满足了新时期大型军用设备维护的需求。

2 系统功能分析

目前对大型军用装备的监控和维护是以装备监测目标的状态信息为数据基础，对这些信息的采集和分析处理来实现对装备的状态检测、报警与故障定位。引入ZigBee技术应用到对大型设备的状态检测系统中，各节点组成无线网络后与上位主机之间通过无线通讯来传递信号与命令，且各节点直接固定在装备内部，从而减少了节点、上位机之间的大量电缆连接，实现了诊断系统的智能化和快速化。

ZigBee技术除了具有功耗低、成本低、速率低、可靠性高等优点外，还具有作用距离近的特点，传输范围一般介于10～100m之间，发射功率低，对其他设备的射频干扰小，通过路由和节点间通信的接力，增加传输距离。

3 多节点检测系统的设计

该系统由终端节点、路由和协调器3种设备组成。其中终端是简化功能设备，只能与路由或者协调器直接通信。路由是全功能设备，即可和路由和终端同协议，也可和协调器直接通信，协调器负责整个网路的建立和管理，协调器收集所有节点和路由的信息，通过串口发给上位机来确定设备状态。

系统工作原理：系统中每个终端、路由分别收集一个节点信息，每个节点对应一个ID（终端或路由加入网络时由协调器自动分配），每个节点和路由将状态信息通过无线发送到协调器，协调器将收到的数据通过串口/USB发送到上位机。如果节点出现异常，状态会产生指示，上位机检测到异常后产生报警信号。

3.1 射频模块设计

置于节点和路由器中的射频模块具有发送和接受信息的功能，主芯片是TI公司推出的CC2530射频收发芯片，它结合了领先的RF收发器、标准的增强型8051CPU、片上可编程闪存和内存以及其他接口功能，并且有支持ZigBee协议的SoC解决方案以及2.4GHzIEEE 802.15.4系统。Zigbee CC2530模块原理如图2所示。

3.2 软件设计

多节点检测系统的软件设计主要包括四部分：终端节点程序、路由程序、协调器程序以及上位机程序。TI公司提供ZigBee协议栈Z-Stack，Z-Stack提供了丰富的函数调用接口。以此为基础开发上述程序模块。

ZigBee网络中的协调器工作流程如图3所示，路由、终端工作流程如图4所示。在ZigBee网络中，协调器具有建立网络，维护相邻设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层/应用层的连接和断开网络的功能。对于节点之间的通信有2种寻址方式，分别是通过64位IEEE地址和16位网络地址寻找网络设备，当节点加入网络时候，协调器会自动给其分配唯一的16位网络地址。设备节点的检测系统要求对任意一个节点进行状态读取和故障定位，因为人工分配64位地址给每个节点，方便以后进行定位。

上位机软件主要为管理人员提供直观的状态显示以及对应节点的地址，创建管理文件和故障日志记录等。

4 系统测试及结论

本文以ZigBee模块为载体设计的信息传输装置，通过硬件连接和软件程序流程，实现了简短信息的传输功能，并通过数据库的软件设计，实现了上位机机显示节点状态信息的功能。本系统可以实现室内15m左右的无线信息传输，速率可达250kbps，支持约200个节点设备接入，单个节点耗电约30mA。本系统可用于大型设备内部检测时的信息传输、检测以及故障定位，能够有效提高系统检测的智能化程度和检测效率，降低设备维护成本和使用风险。

参考文献

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[3] 张燕灵，黎思齐，樊婧琦等.基于ZigBee技术的大型设备检测装置的设计，信息化技术[J].2011（4）：54-58.

作者简介

庄锦程（1977-），现为91550部队工程师。主要研究方向为飞行器控制系统。

作者单位

中国人民解放军91550部队 辽宁省大连市 116023