基于ZigBee技术的大型设备检测装置的设计.pdf

信息化杖术2 ( 1 1 1 耳4 月# 2 H 基于z ig B e e 技术的大型设备检测装置的设计 张燕灵譬思齐羹蜻琦吴吴祁棋吕金莽宗成阁 ( 哈尔滨I 业太学电子信g 工程学院，哈尔瑶150 0 0 i 】 摘要：利用Z i g B e e 技术的短程无线通讯功能，设计7 一垂检测装置，用于大型设备的 安装调试和挂剥结果表明，丰喜装置能够实现大型设备桂剥过程中的信邑无线传输远 程记录和信皂显示最远距离可达1 0 0 m ，为大型设备提供7 一种低成丰便捷的柠利万持 关键词：Z i g B e e 技术：信皂传精，无线遮讯，设备持铡 Z i g B e e b a s c dD e s i g no fI n s p e c t i o nU n i tf o rL a r g eE q u i p m e n t Z h a n gY a n l i n g L iS i q iF a nJ i n g q iw uH a oO lQ iL J i n f e n Z o n gC b e n g g c S c h o o l ( 】f E l e c t r o n i c s I n f o r m a l i o nE n g i n e e r i n gI t a r b i n I n s t i t u l eo f T e c h n o l o g yH “b i nI5 1 9 ) 0 A b s t r a c t ：T a k i n ga d v a n l a g en fs h o r t - r a n g ew i r c t e s sc o m m u n i c a g o no f Z i g B e et e c h n o l o g ym ji n s p e c l i t mu n i th d e s i g n e dA st h ee x p e r i m e n t ss h o w st h eu n i tc b eu s e df o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n 】l er e c o r d i n g a n dd a t ad i s p l a yi n1 8 ce q u i p m e n ti n s p e c t i o nT h em “i m u n ld i s t a n c ei sl ( X h nA n “o n o m i c 卸dc o n v e n l e n tm e , h i l l I o i n s p e c t l a r g ee q u i p m e n t i s d e v e l o p e d f i h e r e f o r e K e y w o r d s ：Z i g B e e t e c h n o l o g y ：i n f o 皿a t i o n t r a s m i s s i o n ：w i r e l e s sc o m m u n i c a l i o n ；e q u i p m e m i n s p e c l i o n 引言 近F 束，正线通l n 技术发展片常世述从早驯f J 电擞， b 话等通讯L 儿剑数，电话、可观I U 精、手 机、l q 络通玳曹先进技术的府川，住航空航天、电f _ E 挂、信吐科学等并剖! 域 ；l ：产= ，Lr 诎盘的效果。摊商 ri 。作教苹摹l 质艟。创造，I ! 人的摊济效益和社会效 益。Z i g B e e , 5 一 p 短距离、低功耗的无线通f 二技术， 上要刚j 近距离无线连接，以多跳接力的方实现尤 线通信研究人员基于Z i g g e c 挫术进行r 大量的应 脚研究，现已广泛J 用丁公苁垒墟稠度系统、宾馆餐 厅服务、指纹考勤等场台”。术立剧用Z i g B e e 技术 设 l 了套无线信息传输装氍n ：大型世器安装、调 试和拉删过程中，以光线传输的竹式将检测结聚传递 翁蔷j 接收终端，为人型设器拎测提供一种低成奉、 他徒的信怠传输【：j 。 g Z i g B e e 技术简介1 g1 低蘸耗 低能旺是Z i g B e e 的突j f l 优势。三咀f HZ i g B e e - I 所承j 的麻川数槲谜书酃比较低在小，班面们m 竹点可以进入能耗 低的休暇状奄，此时能腥j t 】 - 常= 作状志F 的T 讣之。由I 。般协眦r ，体l K l 时 i j l jd 总运 J _ I 时削的人部分，f 埘此，Z i g B 雌一以选剑 i 商的节能毁粜。n 待机模式下2 竹5o j1 - 电池”J 芷 持1 个惯一_ I ：作6 争2 4 十月，柑比较B l u e t e o t h 能 J 二作1 争g 个H W i F i H 能工作数小时。 2g 低成本 通垃 幅简化胁议降低了埘通竹控制器的要 求按艇剥分析以8 0 5 1 的8 化微控制耩制竹个 功能的I i 节点播要3 2 k b 代码f 功能节点少争4 k b 代码而且Z i g B e e 免办议孥利赞。这样母块匕片的 价格仪2 美元 也。 g3 低速宰 Z i g B e e 上作在2 0 2 5 0 k b p s 的较低述率，竹荆提 坐2 5 0 k b p s ( 24 G H z ) 、4 0 k b p s ( g l5 M H z ) “ 2 0 k b p s E m 】br fr n 盘$ 雌n 撤 F ” t惜饥， 叫口H m嬲糯M 钏 靴蝴H 万方数据 信息化技术 航天制造技术 ( 8 6 8 M H z ) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数 据的应用需求。在2 4 G H z 的频段只有2 5 0 k b p s ，而且 只是链路上的速率，除掉帧头开销、信道竞争应答和 重传，真正能被应用的速率可能不足1 0 0 k b p s ，并且 余下的速率可能被邻近多个节点和同一个节点的多 个应用所瓜分，因此不适用于视频，只适用于传感和 控制。 2 4 近距离 传输范围一般介于1 0 “ - 1 0 0 m 之间，在增加R F 发射功率后，亦可增加到1 3 k m ，如果通过路由和 节点间通信的接力，传输距离还可以更远。 2 5 短时延 Z i g B e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状 态只需1 5 m s ，节点连接进入网络只需3 0 m s 。而 b l u e t o o t h 需要3 1 0 s ，W i F i 需要3 s 。 2 6 高容量 Z i g B e e 底层采用直扩技术，因为无需同步且节点 加入网络的过程很快，一般可以做到l s 以内。而 b l u e t o o t h 通常需要3 s 。Z i g B e e 可采用星状、片状和网 状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一 个主节点可管理2 5 4 个子节点；同时主节点还可由上 一层网络节点管理，最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网， 相比较B l u e t o o t h 每个网络只有8 个节点。 2 7 高安全 Z i g B e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、 使用接入控制清单( A C L ) ，防止非法获取数据以及 采用高级加密标准( A E S l 2 8 ) 的对称密码，以灵活 确定其安全属性。在可靠性方面，Z i g B e e 以很多层面 进行保证。物理层采用了扩频技术，能够在一定程度 上抵抗对M A C 层的干扰；应用层( A P S 部分) 有应 答重传功能；M A C 层的C S M A 机制使节点发送前先 监听信道，可以起到避开干扰的作用。当Z i g B e e 网 络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动 态地切换到另一个工作信道上。 3Zig B e e 技术无线网络技术优势 Z i g B e e 技术的设计目的和技术特点决定了其最 适合应用于要求功耗低、成本低、数据传输速率不高 且距离不远的场合。目前，Z i g B e e 技术已广泛应用于 生产、生活众多领域，例如数字家庭、工业控制、环 境监测、军事、智能交通等。除Z i g B e e 技术外，还 存在其他多种短距离无线通信技术，在此，将Z i g B e e 技术同这些相关技术的性能进行简单的分析比较。 表1 给出了Z i g B e e 技术与其他三种短距离无线 通信技术的比较。不难看出，它们都具有各自的特点， 适用于不同的应用场合，它们之间相互竞争、相互补 充，谁也不能替代谁，相信它们会取长补短，共同发 展，为人们的生活提供更快捷、更便利的通信方式。 表14 种无线通信技术的比较 规范工作频段传输速率M b p s最大功耗，I n w连接设备数主要用途 Z i g B e e 8 6 8 ，9 1 5 M H 沈4 G H zo 0 2 册0 4 0 2 536 5 5 3 5 工业控制、传感器网络 B l u e t o o t h2 4 G H zl ，2 ，31 0 0 7 个人网络 R F I D 5 8 G l - l z0 2 1 2 1 02 超市、物流管理 8 0 2 1 l g 2 4 G H z 5 4l 2 5 5无线局域网 从表l 可以看出，相比其他3 种无线传输方案， Z i g B e e 技术功耗更低，支持更多的连接，这更适合用 于大型工业设备的装配和检测。 4 大型设备检测系统设计 4 1 硬件设计 4 1 1 检测系统组成 该系统由一个仿真器、若干个发送器及一个接收 器组成，如图1 所示。接收器负责建立和管理网络， 与仿真器相连并通过串口连接P C 机来保存和显示相 应的信息。 每一个工作人员手持1 个发送器进入大型设备 中，不同的发送器拥有不同的2 个识别码，当有一个 人按下发送器的按键以后，对应的合格与不合格的识 别码被发射出去。然后等待接收端响应，等到接收器 发来的回应后就可以继续下一个位置的检测了。接收 器收到识别码后，根据识别码鉴定出合格或者不合格 信息是由哪一台发送器发出的，并将相对应的信息存 入P C 机的数据库。在设备检测的过程中，接收器、 5 5 万方数据 信怠化技术2 0 1 1 年4 目# 2 麒 忻“器。Jr ( 虮咒J 他圳? 1 ，发送揣I l i 硷洲人* r * 柞“ 凡“改斋“i 1 5r 心，。1 訾罂生I 匿 P ( n 固1太型设备检测系统框图 4 l2 射频模块设计 胃r 靛送器t f f I 接收器中的射额挺块j 钉发送和 接受信龃的功旌丰一卷是C h i p c o n 公叫推n 的 C C 2 4 3 0 舯领收发芯片，它* H 钉】2 8 k b 缡羁2 叫打井I I 打仝球竹款点持Z i g B e e 拂议的S a C 解决斤集咀及 24 G H zI E E E8 0 2 】5 4 系统。Z i g h e eC C 2 4 3 0 1 1 5 l 块妇理 如l 铡2 所小。 圈2Z i g b e e C C 2 4 3 0 模块原理图 42 软件设计 人型驶备检测系统的软件设 要乜捅两部分： Z i g B e e 网络结构分析和应用程t - 的虫现； 4 2l Z i 邱e e 同络结构分析 Z i g B e e 技术支持二种哪络拓扑，即罐罐( S t a r ) 、 簇埘掣( C l u s t e rT r e e j 和嘲状刚掣( M e s h ) 。这一种 时络拓扑结构如图3 所小。 从功能I 打，Z i g B e e 阿绵巾的H 点升山个功能世 蔷( F F D ) 卓l 精简工J 能设蔷( R F D ) 州利，。与F F D 相 比，R F q ) 电路简单运算能力较弱，存储体档址小。 个F F D I I r 以同日t 和多个R I D 或其他F F D 通佑，而 R I Dj l 能， 个F F D 进行通信。 从竹点在蹦络中所处的地住米看分为协调器 ( C o o r d i n a t o r ) 、路器( R o u t e r ) 年终端设蔷 ( E n d d e v i c e ) 一种哳渊器是网络巾，的核心节点 负发起阳络选择笑键的州络参数晷I 维持叫络i l “ E ； I 1 。踏【1 1 器埘米扩展Z i g B e eM 络鲇丰勾 5 1 据路 协议转班致槲j 钋助终端垃备Z 叫i l n m 信。悱渊器 和蹄山器必须F F D f ! 任。 k - 釜盐p 曩j 圈3Z i g B e e 网络拓扑结构 舟本文的啦计中安装在被检捌设格I 。的Z i g B e e 模块担任终端设备伯乜囚为它仪实现特定的功能， 例如向阿络发送设备工作状态的信吁。l n l 接收端的无 线模块扭任协调器角色，鱼组嘲投向 ：位机转笈寅 时秉集的枪洲数锯， 接收器开机后自动进 r J J 始化和建Z 时络，井避 空闲状忐。接收器收到任埘竹息都 输进入P c 机 的数据库，j i 麓送一个对应的确认倍叶。摧收器的l 作流栉圈如图4 所州。 发送器加入H 络成功后可按键艇进检捌位置的 持或4 i 台格的信息。发送后等待接收到接收器 一 万方数据 信息化技术 航天制造技术 I l l 发来的确认信号后，发送器上的红灯闪烁3 s 表示数送器工作流程如图5 所示。 据库已存储该信息，然后进行下一个位置的检测。发 图4 接收器工作流程图 4 2 2 应用程序的实现 为了能够方便记录检测结果并将检测结果自动 录入电脑，本系统将Z i g B e e 模块与P C 机数据库系 统结合，记录检测结果。S Q LS e r v e r 是大型的关系数 据库，它建立于W i n d o w s 的可伸缩性和可管理性之 上，可提供功能强大的客户服务器平台。 5 系统测试 发送部分由天线、调制口、编码口及按钮等部件 组成，当A 按动按钮时，由编码口产生编码，该编码 经调制口调制到载频上，通过天线发送出去，发送距 离为1 0 0 m 以内。 接收部分B l B N 由天线、放大口、解调口、声、 光报警口等组成。当天线接收到A 发送的编码信息 时，由放大口进行放大后，送到解码口进行解码，然 后进行声或光指示，持续时间为1 “ 一3 0 s 。 为了测试本文设计系统的实际检测距离，使用 图5 发送器工作流程图 公司的C C 2 4 3 0Z D K 硬件平台和S m a r tR FS t u d i o 软件 进行了测试，得到的信号强度与距离关系以及其与理 论衰落曲线的对比如图6 所示。 01 0 2 0 4 05 08 07 0 距离，m 图6 信号理论衰减曲线与实测曲线对比 从图6 可知，系统在7 0 m 范围之内都保持着比较 好的信号强度，也就意味着在此范围内本文设计的检 测系统都是可靠的。而通过增加路由节点，通常可将 距离扩展到3 0 0 - - - 4 0 0 m 。 脚 世 帕 珊 瑚 = 搴 舶 j 霉 啪 昌田p，窃酲 万方数据 幢 t b | t 术 2 0 1 1 年4 月# 2 瑚 6结束语 m ，J j 州， i ? mI ，“， “ 2p _ 1 1 - 儿_ J ，1 E l w H * t r t 1 tH m * I IJ IJ M fLu 本文以Z i g B e e 模块为找佧设 的信0 协输犍W ， r “$ 2 7 ) I I t1 通过硬件琏接和软件栏J F 流聪实现了简蛳f i 息的忙 1 t 8 K ，r v I * z ，E h 。十iL t 舻m 输功能，1 通过数据f I ：的轼什设计实现rP C 机也= - u J 一 “M m ，“ ，7 求和硅小信0 的功能。车装胃1 4 以史现1 0 0 m 咀内的 4H * 十t Hn j z ，F k # j - I i lr L ，席“2 光线信心忙输n 州1 ：人耻设备内部榆测时的信息忙2 7 I l kH5 6 输、瘦工苦和地采拎测结果。它能憾提出】，作效率，醉51 “ h r m q m “跚hn H 胍r I l l tJ I 女“ t t 一，_ 低成本膻峨舟H 染。o “h 。nH I 6 I n * ，$ 二H I b * - q ￥j 女口I = _ _ L t4 M m 参考文献 rr g q3 _ M M t6 1 5 I 0