《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee嵌入式雙網(wǎng)路由交換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
朱 磊1，董 亮1，夏 穎1，孫振龍2，王艷春1，李 會1
1.齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006； 2.齊齊哈爾大學(xué) 招生辦，黑龍江 齊齊哈爾161006
摘要： 針對油井位置偏遠(yuǎn)，線路架設(shè)不便，不能實(shí)時、有效地對其進(jìn)行日常數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管的問題，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過ZigBee的自組網(wǎng)與Internet相結(jié)合，有效地將油田采集的數(shù)據(jù)通過所設(shè)計的交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。通過上位機(jī)與下位機(jī)的系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力高、網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)、系統(tǒng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)在油田數(shù)據(jù)監(jiān)測中具有較好的應(yīng)用前景。
中圖分類號： TP212.9
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.040
中文引用格式： 朱磊，董亮，夏穎，等. 基于ZigBee嵌入式雙網(wǎng)路由交換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(7)：144-145，149.
英文引用格式： Zhu Lei，Dong Liang，Xia Ying，et al. Design of embedded dual network routing and switching nodes based on ZigBee[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：144-145，149.
Design of embedded dual network routing and switching nodes based on ZigBee
Zhu Lei1，Dong Liang1，Xia Ying1，Sun Zhenlong2，Wang Yanchun1，Li Hui1
1.Institute of Communications and Electronics Engineering，University of Qiqihar，Qiqihar 161006，China； 2.Institute of Enrollment Office，University of Qiqihar，Qiqihar 161006，China
Abstract： Aiming at the problem that the oil wells located remotely，the data can′t be real-time colleated and superrised，this paper uses WSN technology, through the ZigBee ad-hoc network combined with the Internet,which can make oil field collected data transfer through the exchange nodes. The upper machine and lower machine system test show that the system has the advantages of high data processing capabilities, the strong network signal and convenient system maintenance, and the system has good application prospect in oil field monitoring data.
Key words : ZigBee；data collection；switching nodes；wireless network

   

0 引言

    隨著微電子技術(shù)、云計算、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，把無線傳感網(wǎng)技術(shù)與石油生產(chǎn)相結(jié)合，建立數(shù)字化油田，已經(jīng)成為國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)或科研院所的研究焦點(diǎn)。我國石油儲量豐富，然而與世界上主要產(chǎn)油國家相比，數(shù)字化建設(shè)水平還有待提高。油田的勘探、鉆井、測井、錄井等野外作業(yè)流動性強(qiáng)，點(diǎn)多、分散、距離長，隨著工作面的不斷推進(jìn), 通信線路的延伸和維護(hù)變得越來越復(fù)雜, 一旦通信鏈路發(fā)生故障, 整個測控系統(tǒng)就可能癱瘓, 嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性。

    ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以免費(fèi)使用2.4 GHz的頻段，并且可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千個微小的傳感器之間進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，這些信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端[1-3]。油田作業(yè)地處偏遠(yuǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限只能做為數(shù)據(jù)采集與傳輸[4，5]，不能將其無限拓展。為解決該問題，本文針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，提出了一種可行性解決方案。

1 ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案

    ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由ZigBee射頻系統(tǒng)電路、信息采集電路等幾個模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。信息采集電路的主要功能是完成將油田作業(yè)環(huán)境里的傳感器(如溫濕度、光強(qiáng)度、設(shè)備電壓電流值、油氣氣壓值等)采集到的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路能夠判斷的數(shù)電信號并傳輸給ZigBee控制器；ZigBee射頻系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析并且與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；電源電路部分是終端節(jié)點(diǎn)最需要考慮的部分，考慮到節(jié)點(diǎn)的節(jié)能、便捷等功能，一般是采用電池供電，節(jié)點(diǎn)電源采用三節(jié)1.5 V堿性電池組成，以進(jìn)一步減小體積，提高節(jié)點(diǎn)方便程度。為了提高電路板的利用率，將干電池、天線以背板的形式安放。

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2 射頻系統(tǒng)電路設(shè)計

    本文設(shè)計的射頻系統(tǒng)在CC2530的基礎(chǔ)上，加上的一個天線功放RFX2401C芯片，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)的精確率、通信范圍得到一定程度的提升。配上一個9dBi的天線，理論上的通信范圍可以到一千多米。這樣的設(shè)計可以適合一些復(fù)雜的環(huán)境（如：野外、采油荒地），增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

    TI公司發(fā)布的datasheet里給出了CC2530的典型應(yīng)用圖。本系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)典型應(yīng)用圖設(shè)計的，電路原理圖如圖2所示。主時鐘電路中采用一個32 MHz晶振（Y2）和2個22 pF的負(fù)載電容（C13、C14），可選時鐘電路以一個32.768 kHz時鐘晶振（Y1）和2個15 pF的負(fù)載電容(C3、C4)；天線的輸入/輸出匹配采用巴倫阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，只需幾個分立電感和電容（L2、C9、L3、C12）就可實(shí)現(xiàn)；天線功放芯片的外圍電路也很少，高頻設(shè)備的電源輸入設(shè)計需要電容進(jìn)行濾波，其TXEN和RXEN引腳是發(fā)送和接收使能引腳，本設(shè)計中校仿CC2591功放接法，分別接P1_4和P1_1；天線使用50 Ω的鞭狀負(fù)極性全向天線，本系統(tǒng)的電路中必須對電源進(jìn)行去耦濾波以獲得更好的性能，在這樣的高頻電路設(shè)計中，去耦電容和濾波電感的位置、尺寸和精度對獲得最佳性能是非常關(guān)鍵的。

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3 通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計

    ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要完成發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、接收協(xié)調(diào)器的控制命令等功能[6，7]，它是整個系統(tǒng)的感知末梢，其功耗問題一直是人們考慮的熱點(diǎn)。由于ZigBee芯片是8051內(nèi)核，沒有多線程操作，因此在其休眠期間不會處理父節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。將終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)采集與節(jié)點(diǎn)休眠結(jié)合起來，當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集后，立刻將數(shù)據(jù)發(fā)往父節(jié)點(diǎn)，待發(fā)送成功后該節(jié)點(diǎn)采取休眠喚醒機(jī)制，進(jìn)入休眠狀態(tài)時切斷部分電源，休眠計時時間到后，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送過程。

    終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)議棧是通過在main（）中引入OSAL操作系統(tǒng)，然后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，由ZDO實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程，如果加入成功，在應(yīng)用層會收到ZDO_STATE_CHANGE消息，通過查找消息可以知道網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)軟件框圖如圖3所示。

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4 以太網(wǎng)監(jiān)控平臺設(shè)計

    為了有效觀察ZigBee遠(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)，采用Java進(jìn)行了客戶端設(shè)計，該客戶端可以實(shí)現(xiàn)油田數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與信息處理。軟件流程圖如圖4所示。

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    首先要建立網(wǎng)絡(luò)連接，并通過服務(wù)器的端口形成一條虛擬的連接。通過這個連接，客戶端根據(jù)需要，可以通過向服務(wù)器發(fā)送請求響應(yīng)而決定交換數(shù)據(jù)。然后將要描繪的數(shù)據(jù)存入txt文本中，調(diào)用算法工具進(jìn)行畫圖，當(dāng)交換完數(shù)據(jù)后釋放所占用的端口。上位機(jī)界面如圖5所示。

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5 結(jié)束語

    采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與Internet相結(jié)合的方式設(shè)計了具有無線自由組網(wǎng)功能的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮Internet在數(shù)據(jù)傳輸效率高、可靠性強(qiáng)，無線傳感網(wǎng)的自組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在提高系統(tǒng)工作效能、降低系統(tǒng)功耗及運(yùn)營成本方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。不僅解決了通信線路的鋪設(shè)問題，同時也解決了油田參數(shù)采集與實(shí)時監(jiān)控的傳輸要求，更加符合數(shù)字化油田的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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