基于ZigBee技術(shù)的索道風(fēng)速自動測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

目前，國內(nèi)索道風(fēng)速檢測系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的有線方式或者采用大功率數(shù)傳模塊進行無線傳輸。有線方式的布線成本高，維護不方便，尤其在索道這種特殊的山區(qū)復(fù)雜地形，缺點更為明顯；采用大功率數(shù)傳模塊的無線方式，功率大，數(shù)據(jù)傳輸易受環(huán)境干擾。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗、低成本、高可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其在環(huán)境檢測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間［1'%本文以索道風(fēng)速檢測為應(yīng)用背景，提出了一種方便可靠的索道風(fēng)速自動檢測系統(tǒng)。它以DIGI公司的ZigBee模塊Xbee-Pro為核心，配置風(fēng)速傳感器"C9S08QG8單片機，實時精確地測量索道運行環(huán)境的風(fēng)速，為索道的安全運行提供了保障。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的主要功能是采集索道運行環(huán)境的風(fēng)速，在風(fēng)速大于10m/s時發(fā)出報警信息。上位機收到報警信息后，提示索道工作人員，當(dāng)前風(fēng)速環(huán)境下索道不適合運行。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的數(shù)據(jù)接收器用于接收風(fēng)速采集終端發(fā)送的風(fēng)速信息，并傳送給監(jiān)控上位機；無線通信路由為整個系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸提供路由；風(fēng)速采集終端用于采集風(fēng)速傳感器的模擬信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)接收器；上位機則接收數(shù)據(jù)接收器傳輸?shù)娘L(fēng)速數(shù)據(jù)，并根據(jù)風(fēng)速判斷是否發(fā)出報警信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)接收器

數(shù)據(jù)接收器的功能主要是接收風(fēng)速采集終端發(fā)送的風(fēng)速信息。首先是通過RS232接口發(fā)送到上位機進行顯示；其次通過單片機將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，判斷當(dāng)前風(fēng)速是否超過報警上限(10m/s)?如果超過報警上限，數(shù)據(jù)接收器驅(qū)動蜂鳴器進行聲音報警，同時報警信號燈閃爍，進行燈光提示。

整個數(shù)據(jù)接收器由電源、單片機MC9S08QG8、XBee-Pro模塊、RS232接口、LED顯示、蜂鳴器、報警信號燈組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電源選用通用開關(guān)電源：輸入220VAC，50Hz，輸出5V，2A，再通過LM1117-3.3電源芯片將電壓降至3.3V，為整個系統(tǒng)提供電源；LED顯示采用CD4094驅(qū)動通用數(shù)碼管實現(xiàn)。下面介紹一下XBee-Pro模塊和單片機MC9S08QG8的性能。

無線通信模塊選用美國DIGI公司的XBee-Pro模塊。

XBee-Pro模塊是美國DIGI公司的ZigBee模塊，是一種遠距離、低功耗的數(shù)傳模塊，頻段有2.4GHz，900MHz，868MHz，三種同時可兼容802.15.4協(xié)議。該模塊內(nèi)置協(xié)議棧，具有直接序列擴頻功能(DSSS)，支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括點對點網(wǎng)絡(luò)、點對多點網(wǎng)絡(luò)和MESH網(wǎng)絡(luò)?XBee-Pro模塊在發(fā)射功率不大的條件下可以傳輸很遠的距離，比如在100mW的發(fā)射功率下，室內(nèi)傳輸距離可以達到100m，室外傳輸距離1500m。模塊的RF數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以到250Kb/s。模塊的供電范圍是2.8~3.4V，TX電流為215mA(@3.3V)，RX電流為55mA(@3.3V)田。

MC9S08QG8是飛思卡爾公司推出的一款高性能、低功耗的8位單片機叫該單片機具有以下特點:單總線調(diào)試接口(BDM調(diào)試接口)，具有在線重新編程的功能，方便用戶進行程序開發(fā)；I/O接口具有多種復(fù)用功能，通過寄存器的配置可以實現(xiàn)多種功能，同時通過寄存器的配置可以完成輸入輸出、上拉下拉電阻和驅(qū)動能力的設(shè)置；內(nèi)部資源豐富，具有/A/D、串行通信接口(SCI)、集成電路互連(IIC)總線接口等。

2.2無線通信路由

無線通信路由包括兩個部分：無線通信模塊XBee-Pro,具有接收和發(fā)送各種采集數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)的功能；電源系統(tǒng)，為無線通信路由提供工作電源，保證系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鳌?

無線通信路由的主要功能是為無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸提供路由。系統(tǒng)在加入無線通信路由后，可以擴大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性。如果索道運行的環(huán)境距離較短，可以不采用無線通信路由。

2.3風(fēng)速采集終端

風(fēng)速采集終端的功能是采集風(fēng)速傳感器輸出的電流信號,通過無線通信模塊XBee-Pr。的A/D轉(zhuǎn)換接口將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給數(shù)據(jù)接收器。

風(fēng)速采集終端主要包括XBee-Pro模塊、供電系統(tǒng)和風(fēng)速傳感器。風(fēng)速傳感器采用電流輸出型葉輪傳感器，傳感器采用12V供電，測量范圍為0~30m/s，輸出信號為4~20mA［12］。風(fēng)速傳感器的輸出電流信號通過采樣電阻轉(zhuǎn)成電壓信號，然后由XBee-Pro模塊的ADC接口進行轉(zhuǎn)換。供電模塊由太陽能電池板、鉛酸蓄電池和電源控制系統(tǒng)組成，為整個風(fēng)速采集終端提供可靠的工作電源。

風(fēng)速采集終端的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3風(fēng)速采集終端結(jié)構(gòu)圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1Xbee-Pro模塊設(shè)置

XBee-Pro模塊的功能非常強大，通過上位機軟件X-CTU可以對模塊進行具體的配置。為了修改或者讀取射頻模塊的參數(shù)，模塊必須首先進入命令模式。命令模式有AT命令方式和API方式，一般應(yīng)用X-CTU軟件來配置參數(shù)以及寫入相應(yīng)模塊固件，X-CTU軟件上可以很方便地讀寫模塊配置參數(shù),并可觀察發(fā)送和接收指令［6'8］。

XBee-Pro模塊內(nèi)置協(xié)議棧，用戶可以根據(jù)自己的需要通過廠商提供的上位機軟件X-CTU寫入相應(yīng)的配置。模塊的工作方式有兩種：一種方式是API方式；一種是AT方式［11］。模塊工作在AT方式時具有易于查詢、管理方便等特點；而API方式由于具有返回碼，更有利于數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。在同一個網(wǎng)絡(luò)中無論設(shè)置成AT模式還是API模式，彼此之間都可以進行通信。相比較而言，模塊工作在API方式下所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用起來更為靈活和廣泛，而且在API模式下，設(shè)備還可以將配置命令發(fā)送到遠程模塊來設(shè)置或讀取任何在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備[句。

本系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)接收器的XBee-Pro模塊配置成ZigBeeCOORDINATORAPI方式，無線通信路由的XBee-Pro配置成ZigBeeROUTERAPI方式，風(fēng)速采集終端配置成ZigBeeENDDEVICEAPI。它們都是通過X-CTU軟件將通信協(xié)議固化到模塊中的。

3.2MC9S08QG8程序設(shè)計

MC9S08QG8采用C語言編程，編程軟件采用CodeWarrior6.0。CodeWarrior系列集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是Metrowerks公司為嵌入式微處理器設(shè)計的軟件開發(fā)工具。CodeWarrior包括構(gòu)建平臺和應(yīng)用所必需的所有主要工具：IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等。CodeWarrior將尖端的調(diào)試技術(shù)與健全開發(fā)環(huán)境的簡易性結(jié)合在一起，將C/C++源級別調(diào)試和嵌入式應(yīng)用開發(fā)帶入新的水平[7]。

MC9S08QG8的程序流程圖如圖4所示。

圖4程序流程圖

本系統(tǒng)的上位機軟件采用MicrosoftVC++6.0設(shè)計，限于篇幅，不再贅述。

4結(jié)語

目前，本系統(tǒng)已被應(yīng)用到十幾條索道系統(tǒng)中，效果良好。系統(tǒng)采用了基于ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，解決了因索道工作環(huán)境復(fù)雜而造成的布線困難和無線數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)不可靠等缺點，而且具有功耗低，節(jié)點配置靈活等特點，因此具有廣闊的市場前景。

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