基于ZigBee的航标遥测终端

摘要：介绍了一种基于ZigBee无线传感器网络技术来实现航标遥测的新型终端，该终端是航标遥测遥控系统的关键部件。它的硬件电路采用S3C2410 ARM9微处理器、GPS模块、ZigBee模块和CDMA模块搭建；软件采用嵌入式ARM-Linux操作系统开发平台，通过多线程的协同模块化设计和模块之间的有机组合，实现整个终端所需功能的程序设计。经过调试和移植，结果表明终端可以稳定地实现航标灯、GPS数据采集、Zig-Bee网络和CDMA双模数据传输功能和双模自动切换、航标灯的遥测遥控等功能。
关键词：ZigBee；遥控终端；ARM-Linux；多线程

0 引言
航标是船舶在海上安全运行的重要保障，航标遥测终端的主要功能是实现对航标运行状态、参数的实时监控，并将数据传输到控制中心。对航标遥测终端的开发和研究已经将近10年，也取得了一些成果，对航标的管理和维护也有着重要的作用。但是，当前使用的航标遥测终端，由于处理器系统主要采用单片机，通信网络采用GSM，CDMA，GPRS网等公网实现数据传输，使这种终端在功能和硬件资源方面有限，并在海上有的地方会出现通信的盲区或者信号不稳定，造成目前的航标遥测遥控终端还存在着性能和稳定性等方面的问题，还不能完全满足现代化、信息化航标管理的要求。因此，使用新的技术和手段来开发航标遥测终端是相当必要的。
ZigBee无线网络能够通过自组网形式进行数据的实时传输，并具有低宽带、功耗低、体积小、集成度高、成本低、安全等特点，目前已经在自动控制、远程监控等领域得到了广泛的应用。对于航标遥测系统，由于需要传输的数据量不大，所以采用高宽带是多余的，而使用ZigBee技术是适合的。
因此，本文介绍一种在S3C2410处理器和ARM-Linux操作系统平台下，基于ZigBee无线网络的航标遥测终端的开发。

1 ZigBee无线传感器网络
1．1 ZigBee概述
ZigBee是一个由多到65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的通信距离可以从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。ZigBee技术基于IEEE 802．15．4标准。ZigBee标准制定了IEEE 802．15．4的物理层、MAC层及数据链路层、网络层、加密层及应用描述层，而且ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。它的完全协议对于基本节点只有4 KB，而作为Hub或路由器的协调器也只有32 KB。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，使这种网络远距离传输的数据不会被其他节点获得。可见，利用ZigBee模块将航标组网，可以形成一个相互连接的航标网络，实现航标状态信息的遥测。
1．2 ZigBee模块
本项目使用的ZigBee模块是无线龙LBee系列模块，它是基于IEEE 802．15．4／ZigBee标准生产的，兼具短、中、长距离的无线ZigBee网络低功耗模块。模块工作在2．4 GHz的ISM频段。本项目选用长距离的无线ZigBee网络低功耗模块，型号为CC2430-F128，室外可视的最远通信距离可达2 000 m。对于厦金航线的航标之间的距离最远是1 400 m左右，因此选用该模块可满足通信距离的要求。
LBee系列模块采用的协议为ZigBee 2006，支持网状、星状、串状等多种网络拓扑。LBee系列模块集成了所有的射频组件，并已实现软件升级、参数设置。模块采用标准的AT指令接口，支持AT指令集，其AT指令的通用帧格式如图1所示。图中，帧头为FEH；控制命令中COMD0，COMD1分别表示控制命令中的低字节和高字节；检验位是从控制命令到数据的每个字节的异或后所得的值。标志／状态和有效数据长度对不同的帧是不一样的，例如在发送数据的帧格式中，标志／状态为一个字节，而在设置节点的通道、PANID、设备类型的帧格式中，标志／状态位为2个字节，而有效数据长度变成了目的地址，且为2个字节，详细的帧格式请参见文献。这样基于ZigBee技术的航标遥测终端的开发，需要做的工作就是连接电源、串口及I／O口。ZigBee模块可以通过AT指令集来实现通信距离、信道、网络参数、低功耗参数(工作模式)的设定以及收发数据包，并可通过编程来实现I／O控制、A／D采集、PWM输出、定位等功能。

2 终端的硬件组成
根据功能要求，设计的航标遥测终端组成框图如图2所示，主要由处理器模块、ZigBee／CDMA通信模块、GPS定位模块、航标灯数据采集模块及供电系统组成。

处理器模块是以S3C2410 32 b RISC ARM9处理器为中心，主要由时钟／复位单元、存储系统、调试接口等组成