煤场无线自燃检测系统中的ZigBee节点设计研究

张晶 卢智嘉 于京生

摘 要：该系统以ZigBee协议为核心进行设计，采用树型网络结构，利用CC2530F256作为主控及通讯芯片设计出采集终端节点、路由节点以及协调节点，实现对目标节点温度的采集、无线传输、接收以及显示等功能。通过对实验数据分析，系统的通信距离满足煤场温度无线检测的要求，温度检测范围为-20℃～+120℃，分辨率1℃。

关键词：ZigBee；CC2530F256；采集终端节点；路由节点；协调节点

燃煤的自燃会给煤的存储带来极大的安全隐患。在传统的方式中，煤场监管通常采用的是人工巡逻的监管模式，很有可能会因为一时的疏忽导致事故发生。运用ZigBee技术组建无线网络能够满足实际需求。它拥有很强的自组网和自修复能力。其中的节点设计是该系统有效运行的重要方面。

1 系统节点设计方案

1.1 节点设计框图

1.1.1上位机

协调节点通过USB数据线连接上位机，直接上传从子节点接收到的数据。上位机将数据通过串口调试助手软件显示出来，供值班人员实时观察现场情况。

1.1.2 协调节点

协调节点的主要功能是组建网络和上传数据给上位机。一个ZigBee网络——PAN（简称为Personal Area Network）中有且仅有一个协调节点，它是网络的第一个设备。该设备负责启动整个网络，然后用分布式寻址方案来配置网络成员的地址，这样就可以确保每个分配出去的网络地址在整个网络中都是不同的。除此之外协调节点也能够维护网络、维护节点的绑定关系表以及帮助建立网络中应用层及安全层的绑定等。

1.1.3 路由节点

路由器主要起到扩展网络及路由消息的功能，这样就可以延长传输距离了。扩展网络作为网络中潜在的父节点，能够允许更多的设备接入网络。路由节点只有在网状网络和树状网络中存在，它只负责数据的转发。

1.1.4 采集终端节点

作为在整个系统中用来实现功能的最重要环节，采集终端节点负责采集温度并把数据上传到路由节点。终端设备没有能够成为父节点的功能，它作为网络的边缘设备，负责与需要被监控的对象连接。终端节点只会与其父节点主动传输、联系，而具体的信息路由则全部交给网络中具有路由功能的协调器和路由器来完成。

1.2 树型网络拓扑结构

一般的ZigBee的网络拓扑结构有三种，分别是星型拓扑结构、网状拓扑结构及树型拓扑结构。

1.2.1星型拓扑结构

星型拓扑结构是由一个协调器和若干终端节点共同构成。它是向外辐射的一种简单的网络结构，所需节点成本较低，而且协调器的上层网络管理也简单。不过它通信距离有限，只存在协调器与终端之间的通讯，所以整个网络的数据都要靠协调器转发，容易造成数据的丢失。

1.2.2树型拓扑结构

相较于星型结构，树型结构增加了路由节点设备，可以看作是多个星型拓扑结构的结合。整个树型拓扑结构包括一个协调器节点、若干个路由节点和更多的终端节点。由协调器连接所有路由节点，然后每个路由节点再连接多个终端节点。每个节点除了能和自己的父节点或子节点实行点对点直接通信外，剩下的只能通过树状路由来传送数据。由于出现了三层结构，所以网络覆盖的范围大大增加。

1.2.3网状拓扑结构

其结构与树型拓扑结构相同，但路由规则更加灵活，通信效率有着很大的提高。除此之外，网状结构可靠性更高，具备自组织、自愈性，有着非常强的环境适应能力。网状拓扑结构网络进行数据传输时所需的时间取决于整个骨干网的连接质量，而且空间复杂程度很高，功耗也很大。本次研究采用树型拓扑网络结构，能够满足实际需求。

2 芯片选型

主控及传输芯片使用CC2530F256，其中256指的是芯片的闪存大小为256KB。在此基础上外接晶振电路、电源模块、天线模块、数据传输模块、I/O口模块。

3 实验结果

限于试验条件，采用一个协调节点，一个路由节点，两个采集终端节点搭建无线传输系统，通信距离约为70m，实际应用中可以通过增加路由节点来提高传输距离，滿足煤场温度无线检测的要求，温度检测范围为-20℃～+120℃，分辨率1℃。通过测试，一天之中下午两点左右的温度最高，所以应重点关注下午两点左右的煤场温度，发现温度异常，及时采取措施。

4 结论

系统设计过程立足于ZigBee技术，使用CC2530F256作为主要控制和通信芯片的开发板上进行设计，采用树状网络拓扑结构，通过测量确定了各个模块的具体参数，实现了煤场无线温度检测。该系统能够满足预期目标，但仍有不足和待改进之处，如结果显示界面不够人性化等问题，后续将继续对这些问题开展研究。

参考文献：

[1] 赵琳娜，高力宝，孙可，等.基于ZigBee的火电厂储煤自燃监控系统的研究与设计[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2015，30（4）：287-291.

[2] 巩娜，张素娟，雷勇，等.基于CC2530的智能温度传感器节点设计[J].气象科技，2014，42（5）：764-768.

[3] 颜语.无线传感网络在环境监测中的应用[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2009：1-63.

基金项目：河北省科学技术厅项目（15270349）；河北省高等学校科学研究计划项目（ZC2016107）；河北省科学技术厅项目（15220353）；河北省高等学校科学研究计划项目（QN2016324）

作者简介：张晶（1981-），女，硕士，讲师，主要从事信息处理与传输等方面的研究。