基于ZigBee技术的机载无线采集系统的设计

蒋红娜 王爽 李文华

（中国飞行试验研究院西安710089）

基于ZigBee技术的机载无线采集系统的设计

蒋红娜 王爽 李文华

（中国飞行试验研究院西安710089）

目前，无线传感器网络已成为世界各国的研究热点，在军事、国家安全、交通管理、医疗卫生和城市信息化建设等领域，它都有广泛的应用。ZigBee技术以其低复杂度、低成本、低功耗等优点，被广泛地应用于无线传感器网络中。论文以机载无线采集系统为研究对象，结合ZigBee技术，提出一种适用于机载无线采集系统的设计方案，该方案包括系统硬件设计和系统软件设计两大部分。

ZigBee技术；无线采集；传感器网络

Class NumberTP391

1 引言

现有的机载测试领域，传感器作为最前端的数据采集单元，是监测飞机试飞过程中各种环境参数的组成部分。通常，这些传感器监测到的现场参数信号通过通讯电缆被传递到机上采集系统，再由机上通过遥测的方式传递到地面监控大厅，进行实时监测。随着参数量级的剧增，需要监测的参数越来越具有挑战性。同时采用有线的方式从传感器端采集数据，本身也存在一些弊端，如：安装成本高，运营和维护不便；安装位置相对固定，难以适用于位置相对不固定的移动目标的监测；组网形态单一等。

基于ZigBee协议的无线传感器网络［1］，具有以下优点：布线方便，成本低；具有自组网特点，单个节点故障不会导致系统的瘫痪；功耗低，传感器节点可以采用电池供电。基于ZigBee协议的无线传感器网络研究和开发在机载测试领域的无线传感器采集系统的应用可以较好地解决上述问题。

2ZigBee技术简介

ZigBee是一种低速率、低功耗、短距离无线接入技术，是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。ZigBee无线协议可实现低复杂性、减缩的资源要求，并且提供了一组标准的规范。它提供了三个工作频带：868MHZ，915MHZ和2.4GHZ，同时具备可选的安全功能，是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。

ZigBee技术的显著优点为低速率、低成本、低功耗、自配置和灵活性的网络结构［2，4］。

1）低速率

ZigBee共有3个不同的工作频段，工作频段不同其数据传输速率也不同，但都处于较低的速率。在2.4GHz频段，有16个信道，速率为250kbps；在915MHz频段，有10个信道，速率为40kbps；而在868MHz频段，有1个信道，速率为20kbps。

2）低成本

ZigBee协议栈相对Wi-Fi、蓝牙要简单很多，因此它可以采用8位单片机和小规模的存储器，降低了器件成本。另外，由于ZigBee技术使用全球免费的ISM（Industrial，Scientific and Medical）频段，因此降低了研发和生产成本［5］。

3）低功耗

节点在工作时，因为ZigBee技术的传输速率低，传输信息量很小，因此信号的收发时间短；而在非工作模式时，ZigBee节点总处于休眠模式。通常ZigBee节点的电池的工作时间可达6～24个月［3］。

4）自配置

在一定的传输距离内，ZigBee通过协调器可以自动建立网络，采用CSMA/CA方式进行信道接入，而其它节点设备可以随时加入或退出网络，因此它是一种自组织、自配置的模式。

5）抗干扰性能好

ZigBee技术有较强的抗干扰能力，它可以与红外线、蓝牙、Wi-Fi等无线通信技术共存。尽管ZigBee技术的调制方式比较简单，数据传输速率低，但ZigBee网络在2.4GHz的ISM频段有较好的抗干扰性能［6～7］。

6）短时延

ZigBee的通信时延及从休眠模式激活的时延都很短。典型的休眠激活的时延是15ms，搜索设备的时延是30ms，所以ZigBee技术适合应用在对时延要求苛刻的控制系统中。

7）可靠的数据传输

ZigBee的媒体接入控制层（Media Access Control，MAC）采用载波监听多址/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）接入算法，避免了数据发送的冲突和竞争。MAC层支持有确认模式的数据传输，它要求发送的每个数据包都要等待接收方的确认信息。

8）大容量网络

一个ZigBee网络最多可由255个ZigBee网络节点组成，其中有一个为主设备，其余为从设备。如果通过网络协调器，整个网络最多可包括超过64000个ZigBee节点，各个网络协调器又可相互连接，因此整个ZigBee网络中节点的数量将会非常可观。

9）安全性高

ZigBee使用循环冗余校验（Cyclical Redundancy Check，CRC）来校验数据包的完整性，支持鉴权和认证，且在传输数据的过程中提供了三级安全处理，其中第三级采用了高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES-128）的对称密码［8］。

ZigBee技术的主要特征如表1所示。

表1ZigBee技术的主要特征

3 ZigBee协议栈

无线网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包括MAC层、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应低成本、低功耗、高容错性等要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。ZigBee协议栈由一组子层构成，每层为其上一层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其它的服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。

ZigBee协议栈的体系结构如图1所示。IEEE802.15.4—2003［3］标准定义了最下面的两层：物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）。ZigBee联盟提供了网络层和应用层（APL）框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和由制造商制定的应用对象。

4 基于ZigBee的机载无线采集系统的硬件设计

4.1 系统组成

ZigBee网络通常由三个节点构成：协调器节点、路由器节点、传感器节点。传感器节点也被称为终端设备。协调器用于创建一个ZigBee网络，并为最初加入网络的节点分配地址，每个ZigBee网络只需一个协调器；路由器具有路由功能，用于转发数据；终端设备用于周期性地发送数据，不接收数据。本文所设计的基于ZigBee的机载无线测试网络采用星型网络架构，该网络由一个协调器节点和多个终端设备组成［3］。其系统组成框图如图2所示［9］。

4.2 硬件设计

本文设计的硬件系统主要包括：CC2530微控制器模块、电源转换模块、通信接口模块、编程与调试模块等。

采用德州仪器（TI）公司生产的CC2530作为本系统的核心器件。该芯片是一个真正的片上系统（SoC）解决方案，建立在IEEE802.15.4标准协议之上，具有优秀的接收器灵敏度和强抗干扰性。CC2530芯片大致由三部分组成：CPU和内存相关模块，外设、时钟和电源管理相关模块，无线电相关模块。电源转换模块将28V直流电源转换成稳定的3.3V电压，以供CC2530芯片工作。协调器节点与PC机通过485串口连接，通过上位机软件实时监测传感器节点采集的数据信息。

4.2.1CC2530微控制器模块设计

微控制器模块是整个系统信息采集和传递的核心部分，本系统中选用CC2530作为ZigBee网络的射频芯片。该射频芯片包括一个高性能的2.4 GHz直接序列扩频的射频收发器和一个高性能、低功耗的8051微控制器核，不仅仅能够满足无线传感器网络对低成本、低功耗的要求，而且能够实现对数据的高效处理。

图3是CC2530微处理器模块的电路图。协调器节点组网成功，随后传感器节点入网。传感器节点周期性地采集数据信息，通过无线射频模块发送出去。协调器节点通过无线射频模块接收来自传感器节点的数据信息；通过外接32M晶振，以满足无线通信的高速率要求。

4.2.2 电源转换模块设计

CC2530的工作电压在3.3V，机上通常电压为28V直流，采用LM2936电源芯片将电压控制在3.3V，电源转换模块电路图如图4所示［10～11］。

4.2.3 通信接口模块设计

通信接口模块采用MAX3485芯片，用于RS485通信的低功耗收发。为了提高接口电路的抗干扰能力，在MAX3485的A、B引脚之间并接一个电阻。利用CC2530的P2.0对MAX3485芯片进行收发控制。

5 基于ZigBee的机载无线采集系统的软件设计

硬件设计只能完成物理层的一些功能，而物理层以上的功能需要借助软件来完成。本系统采用IAR作为软件开发平台，采用TI公司开发的Z-Stack作为ZigBee的协议栈。

5.1 协调器节点软件设计

ZigBee协调器节点上电后，ZDO层首次进行一系列的初始化工作，然后调用ZDO层的初始化设备函数，最终触发网络初始化函数，开始构建一个新的网络。建立网络时，协调器节点首先逐个对各个信道进行扫描，根据各个信道的能量值进行排序，选择能量值达到一定大小的信道为可用信道。其次，由网络层在可用信道中选定信道，并随机选择一个在所选信道中唯一的16位网络标识符（PANID）分配给这个新建的网络［8］。协调器的软件设计流程图如图5所示［12］。

5.2 传感器节点软件设计

终端采集节点上电以后进行设备初始化，然后检测周围是否有网络存在，当发现有网络存在时，网络层将给予ZDA层发现网络反馈信息，然后由网络层向能量强度相对较大的网络发出加入网络请求；加入网络成功，则网络层将给予ZDA层加入网络反馈。成功加入网络之后开始向协调器发出绑定请求，绑定成功后开始对光照数据进行采集，将采集到的数据进行预处理并无线发送至协调器节点。传感器终端采集节点软件流程图如图6所示。

6 结语

本系统采用低功耗、低成本的CC2530组建的基于ZigBee无线采集系统实现对传感器数据可靠安全的传输，星型拓扑的节点设计能够对任意位置的传感器数据进行采集。整个系统不仅应用到低功耗的元器件，减少了设计的成本，增加使用的寿命。经过各个模块之间的友好工作，最终主模块把采集好的数据发送到上位机，在上位机进行显示和处理，方便实时监测。本系统为机载测试中不易布线区域的监测提供一个很好的模型，其成本低、功耗低、复杂性低，具有良好的应用前景。

［1］李文仲.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京航空航天大学出版社，2007.

［2］吕治安.ZigBee网络原理与应用开发［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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［4］李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计［J］.电子设计工程，2011，19（16）：108-111.

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［6］刘志雄.基于ZigBee的无线数据采集系统的设计［D］.武汉：华中师范大学，2012：27-29.

［7］李冉.RNP运行中机载设备无线监测系统的设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2014：23-29.

［8］徐宜，赵玉龙，唐秀萍.加速度传感器静态标定数据无线采集系统的设计［J］.仪表技术与传感器，2011，（02）：38-40，44.

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［12］邓哲，张伟功等.动态可重构总线数据传输管理方法

设计与实现［J］.计算机工程，2013（01）：264-269.

Design of Airborne Wireless Acquisition System Based on Zigbee Technology

JIANG HongnaWANG ShuangLI Wenhua
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089）

At present，the wireless sensor network（WSN）has become a research focus all over the world，in the military，national security，traffic management，health care and urban informatization construction，and other fields，it has been widely used.ZigBee technology for its advantages of low complexity，low cost，low power consumption，is widely used in wireless sensor network.Based on the airborne wireless acquisition system as the research object，combined with ZigBee technology，a kind of suitable for airborne wireless acquisition system design scheme is put forward，the scheme includes the system hardware design and software design of two parts.

ZigBee technology，wireless acquisition，sensor network

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.027

2016年12月17日，

2017年1月23日

蒋红娜，女，工程师，硕士研究生，研究方向：飞行试验测试系统标定及技术成熟度。王爽，女，助理工程师，

研究方向：机载测试产品技术。李文华，女，工程师，研究方向：机载测试产品技术。