基于ZigBee 技術(shù)的裝備狀態(tài)檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

劉朋朋

（中國人民解放軍第二炮兵工程大學(xué)士官職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，山東青州262500）

0 引言

在軍事領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，各種新型武器裝備不斷涌現(xiàn)，裝備自動化程度越來越高，但是很多武器裝備由于使用環(huán)境惡劣，隨著時間的延續(xù)，裝備的性能，例如裝備中的液壓系統(tǒng)可能會出現(xiàn)各種問題，但是這些問題并不是能夠用肉眼直接看到的。 如何對這些系統(tǒng)的參數(shù)進行在線實時檢測，從而確保裝備能夠保持正常，成為了一個非常重要的課題。

ZigBee 技術(shù)是近年來新興發(fā)展的一種先進技術(shù)， 具有使用方便、抗干擾性強、保密性好、誤碼率低、價格較低等優(yōu)點。 隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，尤其是ARM 微處理器的快速發(fā)展，高端ARM 微處理器應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，從而大大簡化了硬件設(shè)計，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信能力、數(shù)據(jù)處理及存儲能力。 本文基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計了一種裝備狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)，即利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時測量裝備液壓系統(tǒng)各節(jié)點的參數(shù)，包括各電磁閥的電壓、油液的溫度、壓力與流量、執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)力等參數(shù)，還可測量周圍工作環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速等參數(shù)，從而作為數(shù)據(jù)處理的依據(jù)。 無線傳感器收發(fā)模塊采用支持ZigBee 協(xié)議的CC2430 模塊，主機利用ARM S3C2410 模塊作為核心處理器，并對所測得的多個數(shù)據(jù)進行處理。該系統(tǒng)可在裝備的各個重要位置散置多個傳感器節(jié)點，功耗低，無需人員看守，在不影響裝備正常工作的情況下，實時在線檢測。一旦發(fā)現(xiàn)異常點，立即進行報警，并快速將其定位，并人工排除故障，從而大大提高了裝備工作的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 對于各個裝備的液壓系統(tǒng)，利用多個無線傳感器分別對系統(tǒng)的電磁閥工作的電壓、 油液的溫度、壓力、 流量等進行檢測， 將所測的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線傳感器收發(fā)模塊CC2430， 由它將信號發(fā)送到ARM 主機S3C2410 模塊，CC2430 與S3C2410 是通過SPI 連接的，其中S3C2410 處于主模式，CC2430 處于從模式。主機將數(shù)據(jù)處理后，如果有故障點，則將其傳送至故障顯示模塊，將故障點顯示出來，進行報警提醒；如若正常，則不需要。最后將數(shù)據(jù)全部傳送到數(shù)據(jù)存儲模塊進行存儲。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中用到的電壓、溫度、壓力與流量傳感器均采用貼片式的，不需要介入系統(tǒng)即可工作。 每個傳感器對應(yīng)一個信號處理電路，與無線傳感器收發(fā)模塊CC2430 共同構(gòu)成一個ZigBee 節(jié)點，分別分配有不同的地址。 各節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ARM 主機S3C2410 通信，然后判斷各個數(shù)據(jù)是否正常，如果不正常，通過尋找地址即可對該節(jié)點定位。整個系統(tǒng)通過USB 總線與上位機及外部進行通訊聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)不工作時，各個傳感器節(jié)點處于休眠模式，以降低電池?fù)p耗，延長電池使用壽命。

2 系統(tǒng)各部分組成

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)接收發(fā)送模塊

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位， 是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型主要有三種：Star 星型、Mesh 網(wǎng)型與Cluster Tree 樹型。 本文采用Cluster Tree 樹型，網(wǎng)絡(luò)中具有每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)必須有的協(xié)調(diào)者、 用來路由信息的路由器以及終端結(jié)點，其中終端結(jié)點的功耗較低，從而使整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能耗等方面的考慮，本系統(tǒng)中采用芯片CC2430，該芯片具有以下優(yōu)點：其休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的時間特別短，休眠模式下流耗只有0.9μA，待機模式下流耗不大于0.6μA，適合要求電池工作時間較長的系統(tǒng)；低功耗高性能的8051 微處理器；具有符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的RF 無線電收發(fā)機的，頻率為2.4GHz，無線接收靈敏度高，并且抗干擾性強。

系統(tǒng)中所用無線接收發(fā)送模塊電路中通過非平衡天線連接非平衡變壓器，從而使天線性能更好，該變壓器由電感、電容以及PCB 微波傳輸線構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)符合RF 輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。 電壓調(diào)節(jié)器為所有1.8V 電壓的引腳和內(nèi)部電源供電， 其中的去耦合電容用于進行電源濾波以提高芯片工作的抗干擾性。 共有兩個晶振電路，頻率分別為32.768kHz 與32MHz。

2.2 ARM S3C2410 模塊

在本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點數(shù)量多，信息處理量大，所以系統(tǒng)采用了三星公司的S3C2410 芯片作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心處理器， 它是一款基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器，主要應(yīng)用于低功耗、高性價比及便攜式的設(shè)備，信息處理能力強，可以輕松運行Linux、WinCE 等操作系統(tǒng)，進行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。 處理器通過SPI 接口與CC2430 交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。

系統(tǒng)的流程是這樣的： 在系統(tǒng)開始后首先對各個模塊進行初始化，電源模塊開始供電，然后主機查詢是否需要開始測試各個節(jié)點數(shù)據(jù)，如果需要則喚醒各個傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各個節(jié)點測得的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)匯聚，去除冗余的數(shù)據(jù)，將有用的數(shù)據(jù)打包、壓縮選擇通道，通過CC2430 發(fā)送到ARM 主機S3C2410，進行數(shù)據(jù)處理，依據(jù)裝備的正常狀態(tài)信息表，判斷出有異常的數(shù)據(jù)，然后再通過其余幾個相似節(jié)點，判斷是否真正出現(xiàn)故障，如果發(fā)生故障，則進行報警，并定位，最后將各個正確和錯誤的數(shù)據(jù)通過USB 總線傳送到上位機數(shù)據(jù)庫進行存儲，以方便以后的查詢。待系統(tǒng)檢測各項正常后，即可停止工作，網(wǎng)絡(luò)即進入休眠狀態(tài)，以節(jié)約能量，直至下次工作喚醒為止。

3 結(jié)束語

本文基于先進的ZigBee 技術(shù)， 設(shè)計了一種針對武器裝備液壓系統(tǒng)狀態(tài)檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個傳感器節(jié)點，均采用非介入式的方法實時測量系統(tǒng)的各個參數(shù)，以判斷系統(tǒng)是否存在故障點，如果存在則立即進行定位排除。 這種系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域與民用領(lǐng)域也具有很好的推廣前景。

［1］郭志華.基于光纖傳感器和ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

［2］黃文龍,徐道連,游穎敏,等.基于ZigBee 和ARM 的嵌入式智能家庭安防系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,2，23(2):152-156.

［3］秦國柱.基于Zigbee 無線技術(shù)的自動化物流系統(tǒng)控制和保護環(huán)節(jié)的研制[D].西安:西安科技大學(xué),2010.