基于ZigBee的无线监控系统传感器节点设计

近年来，随着计算机科学技术的发展和军队装备信息化的推进，指控系统不断向大规模、复杂化、集成化的方向发展，同时由于战场条件的日趋复杂，其发生故障的可能性也随之增加。面对有大量过程变量的复杂系统，操作和作战人员很难及时有效地监控过程数据，分析当前状态和诊断过程异常，并采取适当的应对措施。因此，如何提高指控系统的可维护性和安全性逐渐受到了广泛的关注。随着射频技术和传感器产品的进一步发展， 利用无线传感器网络建立的各种监控系统可以很好地解决由环境中不确定因素变化所引起的问题， 从而减少生产产品的成本， 提高工作效率。

ZigBee技术是近年发展起来的一种无线通信技术，它具有低功耗、低成本、组网灵活和抗干扰能力强等优点[1]。因此，将基于ZigBee技术的无线传感器网络应用于指控系统的监控方面，能够降低监控系统成本，并且无需布线，根据无线技术的特点将传感器节点布置于指控设备的待测空间内，还可以采集监控到传统方法无法监测到的信号。基于ZigBee的传感器网络技术如果配合有线网络(如以太网)或无线通信技术，可以实现对整个指控系统中各个设备的实时监控，配合无线蜂窝网络技术还可以实现手持式通信终端对指控设备的实时监测。因此对无线传感器网络的研究具有重要的应用价值。


1 ZigBee技术概述

由于ZigBee无线通信协议不仅具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点，而且具有可靠性高，组网简单、灵活的优势，所以结合实际需要，并与同类无线技术进行比较后，最终选用了ZigBee这项技术。

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其兼容的产品工作在IEEE 802.15.4的PHY上频段是免费开放的，分别为2.4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。采用ZigBee技术的产品可以在2.4 GHz频段上提供250 Kb/s(16个信道)、在915 MHz频段上提供40 Kb/s(10个信道)和在868 MHz频段上提供20 Kb/s(1个信道)的传输速率[1]。

ZigBee协议栈的体系结构如图1所示。它虽然是基于标准的7层开放式系统互联(OSI)模型，但仅对涉及ZigBee的层予以定义。IEEE 802.15.4-2003标准定义了最下面的2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)及由制造商制定的应用对象[2]。

ZigBee设备为低功耗设备，其发射功率为0~3.6 dBm，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整其发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量[3]。


2 网络结构

根据某型指控系统装备地域分布和工作时序所具有的特点，状态监控系统通常分为系统层和节点层2个应用层次。节点层主要针对车载式指挥控制系统单车分系统或集中在小地域环境中的系统进行设计，更大范围内的系统层测试采用上述分系统的无线互连方式作为解决方案，本文主要论述的是节点层的设计方案。

在分布测试中，无线监控网络是由在待测目标附近按一定方式布置的多个数据采集节点和1个控制基站组成。每个节点都连接1个或多个功能模块，从而具有1种或多种感知能力。本文设计的传感器网络采用分簇结构，该网络由若干个传感器单元和1个基站构成。基站作为网络中的协调器，负责建网以及设备注册和访问控制等基本的网络管理功能，同时搜集传感器网络发送的所有数据，建立本地数据库，完成数据融合和数据包向控制中心的转发。传感器节点则根据在网络中扮演的角色分为终端设备节点和路由器节点。这两者的区别是：终端节点只负责采集信号，发送至路由器或协调器；路由器则不仅要采集设备信号，而且要收集它的终端子节点采集到的信号，并将收集的各路信号转发给基站。图2给出了监控网络节点层的结构图。

实际应用时，在不改变和破坏原设备连接关系的基础上将传感器节点置于指控设备的通信链路上，使监控模块的两端分别连接至待监控的设备A、B，如图3所示。

数据采集方式根据指控装备中数据流的大小可分为3种。第1种是基站以广播形式向各数据采集节点发送控制指令，要求节点将测试数据以无线的方式回传至基站。采集节点接收到命令后，由控制模块对命令进行解析，若节点地址与本节点编号一致，则通过SPI总线读取由功能模块采集到的符合基站要求的数据，并通过射频模块发送给基站。第2种是定时采集的方式。每隔一段时间，各数据采集模块按照基站的要求，向基站发送1次实时采集到的数据。这2种方式适用于信息流较大的情况。当信息流较小时，可采用中断查询的方式。指控装备