基于ZigBee技术的油田示功参数监控系统

4．2 硬件各模块及功能

ZigBee技术支持两种类型的物理设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。油井现场参数采集终端是网络中通信要求最低的部分，结构和功能简单，用电池供电，大多处于睡眠状态，以最大程度地节约电能，数据采集终端的通信模块采用RFD；ZigBee路由器具备数据的存储和收发能力、路由发现能力，从设备的连接、路由表的维护、数据的转发，到维护网络的链路等功能，采用FFD；ZigBee协调器始终处于工作状态，是网络的核心，除完成路由器的功能外，还有制定网络规则，选择合适信道，建立网络并下发地址的功能，采用FFD。

采集终端(电路框图如图3所示)，CC2420通过SPI总线连接到ARM芯片的P1．0"P1．7接口。高容量电池作为终端模块的电源，通过LD0低压差线性稳压器AM11 17-3．3为传感器模块、RF模块、MCU／ARM7提供3．3V左右电压。ARM芯片需3．0～3．6V(3．3V±10％)，CC2420需2．0～3．6V。电源功率指示灯显示电源电压。声光报警单元对异常情况报警。晶振电路使ARM7与RF模块同步通信。ZigBee路由器模块框图如图4所示。



ZigBee协调器硬件电路在MCU右端接A-232／485GPRS／DTU，电源要求4．5～35V。供电电源采用电源线供电(将220V交流电经过整流、稳压、滤波电路转换成5V直流。ZigBee协调器模块框图如图5所示。



采集终端、路由器和协调器都有FLASH存储器，系统在意外情况下，可海量存储采集到的数据，防止数据丢失。终端和路由器采用锂电池供电，协调器部分采用电源线供电，增强了电源模块的稳定性。

5 软件设计

软件部分由监控中心、ZigBee协调器通信、ZigBee路由通信、数据采集终端ZigBeeRF模块中的收发模块通信、系统初始化程序(如图6所示)和信息采集终端等程序模块组成。



监控中心程序负责对整个网络的管理与控制，包括无线传感器节点的MCU、RF收发、数据采集、状态检测、数据处理、以及对连接到节点的设备的控制(主程序如图7所示)；ZigBee无线通信模块程序负责数据无线收发，包括RF和基带两部分，前者提供数据通信的空中接口，后者提供链路的物理信道和数据分组；ZigBee路由器及协调器通信程序负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。采集终端程序及协调器程序分别如图8、9所示。



软件设计分数据采集、数据信息传递和监控中心三个层次，其运行于数据采集和信息传递之间的程序采用C++Builder6．0或汇编语言实现控制程序语言编写，经过ARM编译系统生成执行程序。监控中心软件由Vi sualBasic6．0开发，数据采用SQLServer数据库存储。IEEE802．15．4／ZigBee开发系统采用无线谷C51RF-3-ZMD2。软件采用结构化设计，便于完善和维护，同时做到界面美观，操作简便。

6 系统低功耗设计

在ZigBee的网络节点中，只有考虑到MCU的功耗问题，才能真正做到节能降耗，ZigBee低功耗特点才能凸显出来。CC2420在睡眠模式，发射功率只有10mW。发射模式下电流消耗为17mA，接收模式下为15mA，睡眠模式下为0．7 μ A。其设备可大多时间进入睡眠状态，周期性醒来。睡眠模式下，收发电路关闭，极大限度减少功耗，醒来时通过检查信道，与协调器同步，发送或接收数据。ARM芯片支持两种节电模式：空闲模式和掉电模式。掉电模式，振荡器关闭，处理器状态和寄存器、外设存器及内部SRAM值被保持。复位或特定的不需要时钟仍能工作的中断，可终止掉电模式并使芯片恢复正常运行。

本文通过软件控制，ARM芯片与CC2420间歇性地工作在接收状态。不接收数据时，芯片CC2420处于睡眠模式，ARM芯片处于掉电模式(功耗几乎为零)，可大大减少系统的功耗。MCU通过外部中断(CC2420的32kHz晶振的休眠模式定时器产生的外部中断EINT3，15引脚)退出掉电模式，继续工作。从而延长电池寿命，达到节能目的。

7 结束语

ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性的双向微功率网格式无线接入技术。集成了计算机技术、传感器技术、无线宽带通信技术、数字控制技术等诸多学科的技术。ZigBee技术与ARM技术结合使用，实现了油田信号传输的无线化，频谱利用高效化，生产信息化。在当今频谱资源日益紧张，组网成本居高不下的情况下，深入研究ZigBee WSN具有深远的意义。