基于ZigBee的航材仓库监测系统电路低功耗设计

李志坚，杨 媛

（南京市溧水区科技成果转化服务中心，江苏 南京 211200）

基于ZigBee的航材仓库监测系统电路低功耗设计

李志坚，杨 媛

（南京市溧水区科技成果转化服务中心，江苏 南京 211200）

文章针对航材仓库具体物资的实时监测问题，设计了一种基于ZigBee的新型低功耗监测系统。该系统以ZigBee为传输模块，利用UTC系列无线模块与开关电路实现电源的低功耗设计。测试结果表明该系统工作稳定可靠，且具有功耗低，保密性好，抗干扰能力强等优点。

ZigBee；航材仓库；监测系统；低功耗

航材仓库是空军战略储备的基础，其职能至关重要。运用科技手段对其进行实时监测，对确保物资存储质量，提高使用效能具有重要意义［1］。航材仓库一般使用器材包装箱和箱内塑料封存袋来保护储存物资，因此单点监测仓库的整体情况远远不够，需要监测系统配备监测节点对每一个物资包装进行实时监测。监测获得的数据需及时传输到上位机系统。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、低成本、高保密性、自组织、低功耗等，非常适合用于航材仓库监测系统数据的无线传输［1］。监测节点由于相对分散，只能使用电池供电，这就要求基于ZigBee传输的监测节点必须实现低功耗运行。

ZigBee技术通过终端节点休眠实现低功耗，例如市场广泛应用的TI公司生产的CC2530芯片，但是在ZigBee终端节点休眠的情况下，它不会接收与处理上级节点发送的数据信息，因此终端节点也无法通过上级节点对其进行睡眠唤醒。而如果终端节点在休眠状态下依然能够接收数据，那么节点其实一直处于监听状态，不会节省功耗［2］。另一方面，如果使用ZigBee终端节点使用计时休眠方式运行，则只能在固定时间点将监测数据传输出去，无法做到实时查询监测。

因此本文设计了一种新的基于ZigBee的航材仓库监测系统电路，实现了系统的低功耗运行，有力的保证了航材仓库物资储存的安全。

1　方案设计

系统主要包括上位机、电源模块、ZigBee传输模块、监测节点4个模块，工作流程如图1所示，当不需要查询数据，整个系统处于待机状态时，电源模块不会给ZigBee传输模块与监测节点供电，只有当上位机发送查询信号时，才会唤醒电源模块，电源模块为ZigBee传输模块与监测节点供电，随后ZigBee模块提供维持电源模块工作信号，监测节点获取监测数据并传输给ZigBee传输模块，由ZigBee传输模块（经过路由）发送给上位机，上位机验证是否收到准确数据，若收到正确数据回馈正常信号，否则数据重新发送。上位机可设置定时模式，定点采集监测数据，也可实时监测。当不需要监测时，上位机发送关闭电源信号，系统重新回到待机状态。

图1　系统工作流程

2　系统组成

系统上位机由PC机、ZigBee协调器与Power-UTC4432无线传输模块组成。UTC是杭州钦泰科技有限公司设计生产的支持无线唤醒的系列无线传输模块。它共有四种工作模式，如表1所示，通过set_A 和set_B 管脚可实现不同模式的设置，处于被动唤醒省电模式的模块平均功耗仅为20uA左右［3］。Power-UTC4432模块极限通信距离可达5公里，抗干扰能力强，将其设置为主动唤醒工作模式，可有效实现对航材仓库内处于被动唤醒省电模式的模块的唤醒。

表1　UTC系列无线模块四种工作模式

set_A=0，set_B=1唤醒模式主动唤醒模块处于唤醒状态（定时在接收状态与休眠状态之间切换）。当有数据通过串口输入时，AUX 脚被置低，并切换到发送数据状态，同时发送长度为一个唤醒周期（如1s）的前导码特殊唤醒数据包。发送结束后AUX脚被重新置高并转入唤醒状态。处于该模式下，模块发送数据时由于有较长的前导码，接收方处于模式1、模式2 或模式3 均可以接收到数据。模块接收到当前信道中的特定数据后，经过CRC校验无误时，AUX 脚被置低，并立刻从串口输出数据，传输结束后AUX脚被置高。set_A=1，set_B=0省电模式被动唤醒UART 功能关闭，来降低功耗。接收器会在一个唤醒周期（如1s）后打开，并搜索信道中是否有前导码，如果没有则立即进入休眠状态等待下一个唤醒周期，如果监听到前导码则转换为接收状态，等待同步码到来后接收数据。经过CRC校验无误后，置低AUX脚以唤醒下位机，随后通过串口输出数据。串口传输完成后，关闭串口，置高AUX脚，如果状态设置没有变化则进入休眠状态来等待下一个唤醒周期。set_A=1，set_B=1休眠模式配置模式该模式下，模块的CPU 主时钟，射频电路与外设都被关闭，耗电约0.6uA。该模式主要用于配置参数的设置。

电源模块由开关工作电路与UTC-110L微功率模块组成，工作电路如图2所示，UTC-110L微功率模块设置为被动唤醒省电模式，当电源模块未接收到唤醒信号，处于待机状态时，图中AUX引脚输出高电平，无法为ZigBee传输模块与监测节点供电。当电源模块接收到唤醒信号，AUX会在一段时间置低，此时，三极管Q2导通，三极管Q1基极获得高电位，从而导通，将MOS管SI2303门极电位拉低，此时Q3导通，再经过稳压二极管稳压，电源将为ZigBee传输模块与监测节点供电。

图2　电源模块工作电路

ZigBee传输模块包括ZigBee终端节点与路由节点，当该模块开始工作时，由一个引脚输出高电平，维持三极管Q1导通，从而使ZigBee传输模块与监测节点获得稳定的电源。当模块接收到关闭电源信号时，引脚置低，系统回到待机状态。监测节点在获得电源供应后，开始工作，将监测到的数据通过串口直接传输给ZigBee终端节点。

3　实验测试

整个系统设计完成后，进行了实验测试。图3为上位机中ZigBee协调器与Power-UTC4432无线传输模块工作电路板。图4为电源模块、ZigBee终端节点与监测节点工作电路板。电源模块采用3.3V 的蓄电池供电，蓄电池的总电量为3800mAh，因正常工作时供电要满足额定工作电压要求，所以，节点正常工作时使用的电量约为2100mAh。

图3　上位机工作电路板

图4　电源模块、ZigBee终端节点与监测节点工作电路板

当系统处于待机状态时，测得电源模块、ZigBee传输模块和监测节点整个待机电流大约30uA。则系统待机工作时间t1为：

即系统可待机70000小时，换而言之系统待机功耗可忽略。

当系统进行测量与传输时，监测节点工作电流为30mA，ZigBee传输模块发送数据的瞬时电流29mA，接收数据的瞬时电流24mA，完成一次测量消耗的总电流换算为60mA，则系统连续工作时间t2为：

系统完成一次监测过程约15秒，按每小时监测4次，即工作1分钟计算，电源模块可供系统工作2100小时，约3个月。

4　结语

电路，采用睡眠唤醒模式采集监测数据，实现了系统的低功耗运行，延长了蓄电池的使用寿命，将有力地保证航材仓库物资储存的安全。

本文设计的这种新的基于ZigBee的航材仓库监测系统

［1］柏亚林.航材仓库温湿度无线自动监控系统的设计与实现［D］.南京：南京大学，2015.

［2］杨朋伟.基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计［D］.西安：西安工业大学，2009.

［3］杭州钦泰科技有限公司.无线模块UTC用户使用手册［M］.杭州：杭州钦泰科技，2011.

Design of Low Power Consumption of Air Material Warehouse Monitoring System Based on ZigBee

Li Zhijian， Yang Yuan
（Lishui District of Nanjing Science and Technology Achievement Transformation Service Center， Nanjing 211200， China）

A new low power consumption monitoring system based on ZigBee was designed for the real time monitoring of the material in the aircraft.The system uses ZigBee as the transmission module， and uses the UTC series wireless module and the switch circuit to realize the low power design of the power supply.Test results show that the system is stable and reliable， and has the advantages of low power consumption， good secrecy， strong anti-interference ability and so on.

ZigBee； air material warehouse； monitoring system； low power consumption

李志坚（1988-），男，江苏盐城，硕士。