基于ZigBee 技术的装备状态检测系统硬件设计

刘朋朋

（中国人民解放军第二炮兵工程大学士官职业技术教育学院，山东青州262500）

0 引言

在军事领域，随着现代高科技的发展，各种新型武器装备不断涌现，装备自动化程度越来越高，但是很多武器装备由于使用环境恶劣，随着时间的延续，装备的性能，例如装备中的液压系统可能会出现各种问题，但是这些问题并不是能够用肉眼直接看到的。 如何对这些系统的参数进行在线实时检测，从而确保装备能够保持正常，成为了一个非常重要的课题。

ZigBee 技术是近年来新兴发展的一种先进技术， 具有使用方便、抗干扰性强、保密性好、误码率低、价格较低等优点。 随着嵌入式技术的发展，尤其是ARM 微处理器的快速发展，高端ARM 微处理器应用于传感器网络中，从而大大简化了硬件设计，提高了无线传感器网络的通信能力、数据处理及存储能力。 本文基于ZigBee 技术设计了一种装备状态实时检测系统，即利用无线传感网络实时测量装备液压系统各节点的参数，包括各电磁阀的电压、油液的温度、压力与流量、执行机构的应力等参数，还可测量周围工作环境的温湿度、风速等参数，从而作为数据处理的依据。 无线传感器收发模块采用支持ZigBee 协议的CC2430 模块，主机利用ARM S3C2410 模块作为核心处理器，并对所测得的多个数据进行处理。该系统可在装备的各个重要位置散置多个传感器节点，功耗低，无需人员看守，在不影响装备正常工作的情况下，实时在线检测。一旦发现异常点，立即进行报警，并快速将其定位，并人工排除故障，从而大大提高了装备工作的可靠性。

1 系统结构与工作原理

系统的硬件结构框图如图1 所示。 对于各个装备的液压系统，利用多个无线传感器分别对系统的电磁阀工作的电压、 油液的温度、压力、 流量等进行检测， 将所测的数据发送给无线传感器收发模块CC2430， 由它将信号发送到ARM 主机S3C2410 模块，CC2430 与S3C2410 是通过SPI 连接的，其中S3C2410 处于主模式，CC2430 处于从模式。主机将数据处理后，如果有故障点，则将其传送至故障显示模块，将故障点显示出来，进行报警提醒；如若正常，则不需要。最后将数据全部传送到数据存储模块进行存储。

图1 系统硬件结构框图

系统中用到的电压、温度、压力与流量传感器均采用贴片式的，不需要介入系统即可工作。 每个传感器对应一个信号处理电路，与无线传感器收发模块CC2430 共同构成一个ZigBee 节点，分别分配有不同的地址。 各节点通过无线传感器网络与ARM 主机S3C2410 通信，然后判断各个数据是否正常，如果不正常，通过寻找地址即可对该节点定位。整个系统通过USB 总线与上位机及外部进行通讯联系。当系统不工作时，各个传感器节点处于休眠模式，以降低电池损耗，延长电池使用寿命。

2 系统各部分组成

2.1 无线网络接收发送模块

在无线传感器网络中，传感器节点是构成无线传感器网络的基本单位， 是系统的基础。 Zigbee 网络节点类型主要有三种：Star 星型、Mesh 网型与Cluster Tree 树型。 本文采用Cluster Tree 树型，网络中具有每个ZigBee 网络必须有的协调者、 用来路由信息的路由器以及终端结点，其中终端结点的功耗较低，从而使整个无线传感器网络功耗。

基于无线传感器网络设计能耗等方面的考虑，本系统中采用芯片CC2430，该芯片具有以下优点：其休眠模式和转换到主动模式的时间特别短，休眠模式下流耗只有0.9μA，待机模式下流耗不大于0.6μA，适合要求电池工作时间较长的系统；低功耗高性能的8051 微处理器；具有符合IEEE802.15.4 标准的RF 无线电收发机的，频率为2.4GHz，无线接收灵敏度高，并且抗干扰性强。

系统中所用无线接收发送模块电路中通过非平衡天线连接非平衡变压器，从而使天线性能更好，该变压器由电感、电容以及PCB 微波传输线构成，其结构符合RF 输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。 电压调节器为所有1.8V 电压的引脚和内部电源供电， 其中的去耦合电容用于进行电源滤波以提高芯片工作的抗干扰性。 共有两个晶振电路，频率分别为32.768kHz 与32MHz。

2.2 ARM S3C2410 模块

在本无线传感器网络系统中，节点数量多，信息处理量大，所以系统采用了三星公司的S3C2410 芯片作为无线传感器网络的核心处理器， 它是一款基于ARM920T 内核的16/32 位RISC 嵌入式微处理器，主要应用于低功耗、高性价比及便携式的设备，信息处理能力强，可以轻松运行Linux、WinCE 等操作系统，进行较为复杂的数据处理。 处理器通过SPI 接口与CC2430 交换数据、发送命令等。

系统的流程是这样的： 在系统开始后首先对各个模块进行初始化，电源模块开始供电，然后主机查询是否需要开始测试各个节点数据，如果需要则唤醒各个传感器网络，将各个节点测得的数据进行数据汇聚，去除冗余的数据，将有用的数据打包、压缩选择通道，通过CC2430 发送到ARM 主机S3C2410，进行数据处理，依据装备的正常状态信息表，判断出有异常的数据，然后再通过其余几个相似节点，判断是否真正出现故障，如果发生故障，则进行报警，并定位，最后将各个正确和错误的数据通过USB 总线传送到上位机数据库进行存储，以方便以后的查询。待系统检测各项正常后，即可停止工作，网络即进入休眠状态，以节约能量，直至下次工作唤醒为止。

3 结束语

本文基于先进的ZigBee 技术， 设计了一种针对武器装备液压系统状态检测的无线传感器网络。 无线传感器网络中的各个传感器节点，均采用非介入式的方法实时测量系统的各个参数，以判断系统是否存在故障点，如果存在则立即进行定位排除。 这种系统在工业领域与民用领域也具有很好的推广前景。

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［2］黄文龙,徐道连,游颖敏,等.基于ZigBee 和ARM 的嵌入式智能家庭安防系统设计[J].重庆工学院学报:自然科学版,2009,2，23(2):152-156.

［3］秦国柱.基于Zigbee 无线技术的自动化物流系统控制和保护环节的研制[D].西安:西安科技大学,2010.