基于Zigbee技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用

程思堯 梁科 張方超 杜秋宇

摘要 Zigbee技術(shù)為一種雙向性、短距離、低速率的無線傳輸方式，其主要通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的相互聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)由現(xiàn)場環(huán)境至系統(tǒng)控制中心的高效通信傳輸?；诖?，本文首先對(duì)Zigbee技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)概念進(jìn)行了闡釋;求，從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)單片機(jī)、電源電路、“看門狗”電路、Zigbee模塊等多種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)做出了重點(diǎn)研究。

【關(guān)鍵詞】Zigbee技術(shù) 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) “看門狗” 電路

現(xiàn)階段，隨著社會(huì)科學(xué)水平的不斷提高，我國在遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了飛速的發(fā)展。在這樣的時(shí)代背景下，將Zigbee技術(shù)到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中，能有效提升現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的傳輸質(zhì)量和傳輸安全性。據(jù)此，我們有必要對(duì)Zigbee技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

1 Zigbee技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)概述

從名稱來源上看，“Zigbee”名稱借鑒于大自然當(dāng)中，意在通過自然界中蜂群數(shù)量眾多、食物需求較小的信息交換機(jī)制，描述這一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高適應(yīng)、低成本特點(diǎn)。進(jìn)一步講，Zigbee為一種雙向性、短距離、低速率的無線傳輸方式，其主要通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的相互聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)由現(xiàn)場環(huán)境至系統(tǒng)控制中心的高效通信傳輸?，F(xiàn)階段，將這一技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，能通過多種AES對(duì)稱加密、公開密鑰等多種安全防護(hù)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可靠、安全傳輸，進(jìn)而在最大程度上避免外界磁場對(duì)信號(hào)通信的干擾，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障部分的快速復(fù)位。同時(shí)，在無需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)還會(huì)像控制中心發(fā)出一定的信號(hào)信息，完成現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的關(guān)閉睡眠，進(jìn)而有效地降低成本消耗。

2 Zigbee技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

在Zigbee技術(shù)支持下的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)送傳遞，其硬件結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)Zigbee模塊、一個(gè)“看門狗”電路、一個(gè)單片機(jī)和一個(gè)電源電路。具體來看：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)多選用P87LPC767材料。這一單片機(jī)材料類型具有接口輸出模式可編程的特點(diǎn)，且保有較高水平的電壓操作范圍。同時(shí)，其內(nèi)部還配置有一體化的看門狗定時(shí)器，可與后續(xù)的看門狗電路設(shè)計(jì)達(dá)成良好的適應(yīng)性;

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源電路需要對(duì)單片機(jī)及兩個(gè)Zigbee模塊進(jìn)行持續(xù)、可轉(zhuǎn)換的供電行為，故而其設(shè)計(jì)需要保證一定的電流調(diào)節(jié)能力。一般來說，業(yè)內(nèi)多以12伏鋰電池作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源供給，并在其后方設(shè)置出可將12伏電流轉(zhuǎn)換為5伏電流輸出的DC電源，將電源與單片機(jī)相連接。與此同時(shí)，還應(yīng)設(shè)置出一個(gè)可將5伏電流轉(zhuǎn)換為3.3伏電流輸出的二級(jí)電源，并將其與上級(jí)DC電源連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Zigbee模塊的供電支持;

（3）在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的Zigbee模塊，為具有16個(gè)引腳的封裝模塊。在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，相關(guān)人員只需要應(yīng)用其中的四個(gè)引腳即可。首先，需要將一對(duì)引腳與上文所述的二級(jí)電源相連，并保證正常的工作電流為3.3伏;其后，需要一對(duì)引腳與上位機(jī)、下位機(jī)相連，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集與傳送。

（4）在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，可將型號(hào)為DS1232的看門狗芯片作為系統(tǒng)配置首選，其具有線路結(jié)構(gòu)簡單、功能運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的維穩(wěn)保護(hù)。簡單來講，“看門狗”電路更像是一個(gè)定時(shí)控制工具。當(dāng)單片機(jī)處在正常的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其會(huì)按照固定的時(shí)間間隔向看門狗芯片發(fā)送脈沖信號(hào)。此時(shí)，一旦單片機(jī)處在較強(qiáng)的磁場干擾環(huán)境當(dāng)中，無法由STB引腳向看門狗芯片發(fā)送信號(hào)時(shí)，看門狗芯片即會(huì)將當(dāng)前單片機(jī)的工作狀態(tài)認(rèn)定為“異?！?，并由RST引腳向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)的程序數(shù)據(jù)重新運(yùn)行并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

終端節(jié)點(diǎn)位于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)體系的最末端位置，即應(yīng)用于實(shí)際的監(jiān)控現(xiàn)場。在Zigbee技術(shù)的支持背景下，終端節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)、電源電路、顯示器、Zigbee模塊、數(shù)據(jù)采集電路、外圍電路和看門狗電路組成。其中，單片機(jī)、電源電路、看門電路、Zigbee模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)與上文中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式大致相同，不多贅述。下面主要來看顯示器和數(shù)據(jù)采集電路兩個(gè)部分的應(yīng)用設(shè)計(jì)：

2.2.1 顯示器

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的顯示器多為LCD顯示，主要負(fù)責(zé)各類現(xiàn)場信息、設(shè)備運(yùn)行信息的符號(hào)、數(shù)字與圖形顯示。在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)將兩塊玻璃基板之上加置配向膜，使液晶棒狀分子按照具體的溝槽設(shè)計(jì)進(jìn)行配向，并實(shí)現(xiàn)液晶棒狀分子在電廠作用下的光線調(diào)制能力，由此保證液晶顯示器可通過明暗變化、分子排列而呈現(xiàn)出不同的信息顯示效果。此外，為了保證顯示器各功能區(qū)域的靈活調(diào)整，還需要將不同種類顯示像素的符號(hào)信號(hào)設(shè)置為獨(dú)立控制模式，從而進(jìn)一步提升顯示器的調(diào)整靈活性。最后，還需將LCD顯示控制器的SCLK端、STD端與單片機(jī)的兩個(gè)引腳連接起來，并與單片機(jī)應(yīng)用同一個(gè)電源支持。當(dāng)電源連通后，終端顯示屏便會(huì)自動(dòng)亮起，此時(shí)單片機(jī)程序開始運(yùn)行，實(shí)時(shí)的文本和圖像信息就會(huì)具象顯示出來。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集電路

終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集工作，主要是對(duì)各類終端設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如設(shè)備啟閉狀態(tài)、電流電壓負(fù)荷等?，F(xiàn)階段，用于數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器類型共有三種，并行比較型、逐次逼近型和雙積分型。這三者在采集速度、采集精度和投入成本上各有優(yōu)劣，相關(guān)人員應(yīng)按需選擇應(yīng)用具體的轉(zhuǎn)換器類型。在數(shù)據(jù)采集電路的實(shí)際運(yùn)行過程中，采集到的現(xiàn)場設(shè)備信號(hào)會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)換器進(jìn)入到系統(tǒng)控制器的I/O接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的信號(hào)分析，并將最終的有價(jià)值信號(hào)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心處。

3 總結(jié)

總而言之，把Zigbee技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，可以有效實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的無線傳輸，并提高各類硬件設(shè)備的運(yùn)行反饋效率，以此強(qiáng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、時(shí)效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。由此可見，Zigbee的應(yīng)用前景較為良好，日后必將形成更加廣泛的應(yīng)用普及。

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