基于Zigbee和北斗衛(wèi)星導航技術(shù)的航標燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)

吳建勇　蘇建歡　張成研

【摘 要】本文通過ZigBee（CC2530模塊）構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過傳感器采集航標燈工作情況，使用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位功能（UM220模塊）實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的采集，并使用STC89C52單片機系統(tǒng)處理導航定位數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過北斗短報文（GYM2003B）發(fā)送到陸地控制中心。

【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，航標燈對船舶的指引作用越發(fā)重要。而隨著科技的不斷進步，航標燈已經(jīng)從原始的天然航標發(fā)展為人工航標，對航標燈的維修檢測也從定期排查發(fā)展成遠程航標監(jiān)控，實現(xiàn)遠程無人監(jiān)控，大大縮減的人力的消耗。目前，大部分的系統(tǒng)使用的是“GSM+GPS+微處理器”的模式，此系統(tǒng)能夠完成遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，卻也存在著一些缺點：GSM系統(tǒng)在海洋領(lǐng)域存在著信號無法覆蓋的盲區(qū)，導致通信無法實現(xiàn)；GPS系統(tǒng)是美國軍方產(chǎn)品，在我國使用有著諸多限制。本文的設(shè)計則是基于我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過北斗系統(tǒng)所特有的短報文發(fā)送功能實現(xiàn)遠程無線通信，而且在海洋領(lǐng)域也不存在信號盲區(qū)，而使用ZigBee系統(tǒng)則可以大大減少系統(tǒng)的成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系可以分為3種類型：星狀結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。主要有ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點構(gòu)成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般主要由一個主節(jié)點和多個節(jié)點組成，主節(jié)點主要負責ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的管理，同時主節(jié)點上接有GYM2003B模塊，負責北斗短報文通信功能，而所有節(jié)點都接有UM220模塊實現(xiàn)定位功能。

如圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分為兩個部分。其中路由或終端節(jié)點部分結(jié)構(gòu)相同，由UM220模塊采集定位數(shù)據(jù)，通過微處理器進行處理，ZigBee模塊接收微處理器發(fā)來的數(shù)據(jù)以及傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點部分，協(xié)調(diào)器節(jié)點部分將所收集的信息通過北斗短報文模塊（GYM2003B）將信息發(fā)送給地面控制中心進行處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 終端硬件設(shè)計

本系統(tǒng)是基于ZigBee的短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中擁有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個路由、終端節(jié)點，節(jié)點會將它所采集的信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點則通過北斗短報文發(fā)送功能將信息發(fā)送到地面控制中心。

2.1 ZigBee模塊設(shè)計

ZigBee模塊是構(gòu)建底層無線網(wǎng)絡(luò)的核心。主要負責構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將各航標聯(lián)系在一起，使各個節(jié)點能夠與匯聚節(jié)點通信。ZigBee模塊選擇TI公司的CC2530模塊，它具有低成本、高性能且能夠建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的特點，它在空曠地帶不使用增加發(fā)射功率的情況下，通信距離能夠達到100m，而示兩航標燈之間的距離可適當增加發(fā)射功率，其最遠通信距離可達到1000m，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中也可以通過增加路由器使得通信距離無線增加。并且CC2530內(nèi)嵌增強型8051MCU系統(tǒng)，可在其IO口接傳感器用于接收采集到的信息。本系統(tǒng)中，通過CC2530模塊實現(xiàn)無線通信需要遵循以下步驟：調(diào)用協(xié)議棧提供的組網(wǎng)函數(shù)、加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點的加入；發(fā)送設(shè)備調(diào)用協(xié)議棧提供的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)：afStatus_t AF_DataRequest（afAddrType_t *dstAddr，

endPointDesc_t *srcEP，

uint16 cID，

uint16 len，

uint8 *buf，

uint8 *transID，

uint8 options，

uint8 radius）

此函數(shù)最重要的核心參數(shù)是：uint16 len--發(fā)送數(shù)據(jù)的長度；uint8 *buf--指向存放發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的指針。cID為每一個消息的消息ID，用于消息識別并作相應(yīng)處理。其在接收消息時使用osal_msg_receive

函數(shù)從消息隊列中接收一個消息，如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_

CMD（協(xié)議棧中所定義的新消息的ID）再使用switch語句對消息ID判斷，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2.2 北斗定位模塊

北斗定位模塊選用和芯星通公司的UM220型號，和芯星通UM220-ⅢN雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時支持BD2B1、GPSL1兩個頻點，定位精度為2.5m，首次定位時間為32s，并且具有兩個串口，串口1為主串口，支持數(shù)據(jù)傳輸、固件升級功能，信號類型為LVTTL電平；串口2僅支持數(shù)據(jù)傳輸，不支持固件升級。其上電之后會通過串口把接收到的消息發(fā)送出去，其消息的基本格式如下：$MSGNAME，data1，data2，data3，…[*CC]＼r＼n。每條消息均為全ASCII字符組成的字符串，所有的消息都以‘$（0x24）開始，后面緊跟著的是消息名，之后跟有不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)，消息名與數(shù)據(jù)之間以逗號（0x2c）進行分隔，最后是可選的校驗和，以‘*（0x2a）與前面的數(shù)據(jù)分隔。由于UM220會不斷的占用處理器的串口資源，并且需要處理器從接受的消息中提取出位置信息，則用一個微型處理器STC89C52用于接收并處理定位消息，并將位置消息通過串口發(fā)送給CC2530。

2.3 北斗短報文通信模塊

北斗短報文模塊GYM2003B則可以建立海洋與陸地的遠程無線通信系統(tǒng)，GYM2003B模塊通過北斗短報文收發(fā)信號的低噪聲放大、功率放大、上下變頻和基帶處理，實現(xiàn)北斗短報文收發(fā)功能。此模塊和外設(shè)之間傳輸以語句格式進行，每一個語句以字符‘$開始，緊接著5個語句ID字符，其后是數(shù)據(jù)體，末尾為校驗。

北斗短報文通信模塊中的消息分為用戶設(shè)備輸出至外設(shè)的語句和外設(shè)輸入到用戶設(shè)備的語句。當外設(shè)需要通過北斗短報文模塊發(fā)送消息時，需要先發(fā)送通信申請指令，例如，使用漢字編碼格式發(fā)送00時的16進制申請指令如下所示：

24 54 58 53 51 00 16 03 00 FF 44 03 00 FF 00 20 00 A3 B0 A3 B0 58上述短報文通信格式解析為：報頭前5個字節(jié)$TXSQ，0016表示通信申請指令的數(shù)據(jù)長度為22個字節(jié)，發(fā)送方ID占3個字節(jié)，電文編碼形式占1個字節(jié)，接收方ID占3個字節(jié)，本例中發(fā)送方與接收方為同一ID，00 20表示電文長度即電文內(nèi)容為32位，是否應(yīng)答位占1個字節(jié)，A3 B0 A3 B0為漢字編碼電文內(nèi)容，最后為異或校驗和，除電文內(nèi)容以外的固定字節(jié)數(shù)為18個字節(jié)。電文內(nèi)容若用漢字編碼，則兩個字節(jié)表示一個漢字，電文內(nèi)容總長度不超過200字節(jié)。

3 結(jié)束語

本文基于北斗衛(wèi)星導航技術(shù)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用北斗系統(tǒng)的短報文通信功能實現(xiàn)遠程通信及其定位功能，采用ZigBee無線傳感技術(shù)實現(xiàn)航標燈工作信息的采集以及實現(xiàn)短距離通信功能。系統(tǒng)采用ZigBee與北斗技術(shù)相結(jié)合的方式，綜合降低了建設(shè)成本，使用我國自主研發(fā)的北斗技術(shù)更加安全可靠，進一步擴展北斗系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

【參考文獻】

[1]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，07：184-187+120.

[2]周權(quán)，盛黨紅.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].中國科技信息，2014.11.

[3]王小強，歐陽駿.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].化學工業(yè)出版社，2012.

[責任編輯：王楠]