基于ZigBee的航標(biāo)遙測終端

摘要：介紹了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)航標(biāo)遙測的新型終端，該終端是航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它的硬件電路采用S3C2410 ARM9微處理器、GPS模塊、ZigBee模塊和CDMA模塊搭建；軟件采用嵌入式ARM-Linux操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，通過多線程的協(xié)同模塊化設(shè)計和模塊之間的有機(jī)組合，實現(xiàn)整個終端所需功能的程序設(shè)計。經(jīng)過調(diào)試和移植，結(jié)果表明終端可以穩(wěn)定地實現(xiàn)航標(biāo)燈、GPS數(shù)據(jù)采集、Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)和CDMA雙模數(shù)據(jù)傳輸功能和雙模自動切換、航標(biāo)燈的遙測遙控等功能。
關(guān)鍵詞：ZigBee；遙控終端；ARM-Linux；多線程

0 引言
航標(biāo)是船舶在海上安全運行的重要保障，航標(biāo)遙測終端的主要功能是實現(xiàn)對航標(biāo)運行狀態(tài)、參數(shù)的實時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。對航?biāo)遙測終端的開發(fā)和研究已經(jīng)將近10年，也取得了一些成果，對航標(biāo)的管理和維護(hù)也有著重要的作用。但是，當(dāng)前使用的航標(biāo)遙測終端，由于處理器系統(tǒng)主要采用單片機(jī)，通信網(wǎng)絡(luò)采用GSM，CDMA，GPRS網(wǎng)等公網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使這種終端在功能和硬件資源方面有限，并在海上有的地方會出現(xiàn)通信的盲區(qū)或者信號不穩(wěn)定，造成目前的航標(biāo)遙測遙控終端還存在著性能和穩(wěn)定性等方面的問題，還不能完全滿足現(xiàn)代化、信息化航標(biāo)管理的要求。因此，使用新的技術(shù)和手段來開發(fā)航標(biāo)遙測終端是相當(dāng)必要的。
ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)能夠通過自組網(wǎng)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時傳輸，并具有低寬帶、功耗低、體積小、集成度高、成本低、安全等特點，目前已經(jīng)在自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于航標(biāo)遙測系統(tǒng)，由于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以采用高寬帶是多余的，而使用ZigBee技術(shù)是適合的。
因此，本文介紹一種在S3C2410處理器和ARM-Linux操作系統(tǒng)平臺下，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的航標(biāo)遙測終端的開發(fā)。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1．1 ZigBee概述
ZigBee是一個由多到65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴(kuò)展。ZigBee技術(shù)基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制定了IEEE 802．15．4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、加密層及應(yīng)用描述層，而且ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。它的完全協(xié)議對于基本節(jié)點只有4 KB，而作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器也只有32 KB。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，使這種網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會被其他節(jié)點獲得。可見，利用ZigBee模塊將航標(biāo)組網(wǎng)，可以形成一個相互連接的航標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)航標(biāo)狀態(tài)信息的遙測。
1．2 ZigBee模塊
本項目使用的ZigBee模塊是無線龍LBee系列模塊，它是基于IEEE 802．15．4／ZigBee標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，兼具短、中、長距離的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗模塊。模塊工作在2．4 GHz的ISM頻段。本項目選用長距離的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗模塊，型號為CC2430-F128，室外可視的最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)2 000 m。對于廈金航線的航標(biāo)之間的距離最遠(yuǎn)是1 400 m左右，因此選用該模塊可滿足通信距離的要求。
LBee系列模塊采用的協(xié)議為ZigBee 2006，支持網(wǎng)狀、星狀、串狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。LBee系列模塊集成了所有的射頻組件，并已實現(xiàn)軟件升級、參數(shù)設(shè)置。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令接口，支持AT指令集，其AT指令的通用幀格式如圖1所示。圖中，幀頭為FEH；控制命令中COMD0，COMD1分別表示控制命令中的低字節(jié)和高字節(jié)；檢驗位是從控制命令到數(shù)據(jù)的每個字節(jié)的異或后所得的值。標(biāo)志／狀態(tài)和有效數(shù)據(jù)長度對不同的幀是不一樣的，例如在發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式中，標(biāo)志／狀態(tài)為一個字節(jié)，而在設(shè)置節(jié)點的通道、PANID、設(shè)備類型的幀格式中，標(biāo)志／狀態(tài)位為2個字節(jié)，而有效數(shù)據(jù)長度變成了目的地址，且為2個字節(jié)，詳細(xì)的幀格式請參見文獻(xiàn)。這樣基于ZigBee技術(shù)的航標(biāo)遙測終端的開發(fā)，需要做的工作就是連接電源、串口及I／O口。ZigBee模塊可以通過AT指令集來實現(xiàn)通信距離、信道、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、低功耗參數(shù)(工作模式)的設(shè)定以及收發(fā)數(shù)據(jù)包，并可通過編程來實現(xiàn)I／O控制、A／D采集、PWM輸出、定位等功能。