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1外圍電路

CC2530射頻模塊通過外引24個引腳，包括普通IO引腳P00-P24和電源、復位引腳，實現(xiàn)與外圍電路的連接。外圍電路包括復位電路、開關電路、傳感器接口電路、按鍵指示電路、通信調試電路、電源供電電路。主要電路功能介紹如下：按鍵指示電路：節(jié)點包括Led和蜂鳴器指示電路，用于本節(jié)點的指示功能；支持按鍵功能，進行節(jié)點工作模式的轉換。開關電路：由三極管電路組成，用于實現(xiàn)傳感器供電的通斷。通信調試電路：由串口電路和JTAG調試接口組成；串口負責與PC上位機軟件的連接，方便修改節(jié)點的參數(shù)；JTAG接口方便上位機集成環(huán)境IAR等調試用。電源供電電路：基本供電由外部USB接口電源5V通過AMS1117轉3.3V以及直接電池3.3V供電組成；傳感器可由內部3.3V供電，而大于3.3V則由外部電源直接提供。傳感器接口電路：包括危化品物流車輛常見的幾種信號（0-5V、4-20mA、開關量、數(shù)字量）采集電路，可同時接四種類型的傳感器。其中數(shù)字量主要是DS18B20、DHT11溫濕度傳感器的輸出信號；0-5V主要是氣體泄露檢測、光敏、真空度傳感器的輸出信號；4-20mA主要是壓力、液位傳感器的輸出信號；開關量主要是紅外、門開關、傾斜傳感器的輸出信號；信號接入后進行了信號隔離和二極管鉗位保護電路。

2節(jié)點軟件

2.1節(jié)點軟件架構軟件設計部分主要是基于TI公司的Z-stack協(xié)議棧進行應用程序的開發(fā)。Z-stack協(xié)議棧是一款穩(wěn)定性強的zigbee開發(fā)協(xié)議棧，是對Zigbee標準的具體實現(xiàn)。協(xié)議棧APL（應用層）包含了主要的API函數(shù)接口，方便進行應用開發(fā)，從而實現(xiàn)對CC2530芯片硬件資源的控制功能。具體軟件框架設計如圖4所示。應用層軟件主要包括節(jié)點間數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、節(jié)點內應用層與底層的交互。應用層的數(shù)據(jù)經過應用層數(shù)據(jù)幀格式進行封裝傳給底層繼續(xù)封裝并發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)則由底層先進行解釋，再由應用層進行解釋，然后進行數(shù)據(jù)的計算、更新參數(shù)等步驟。應用層還可通過API控制接口對底層進行控制與信號、參數(shù)獲取。

2.2數(shù)據(jù)幀格式Zigbee采集節(jié)點和主節(jié)點模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式采用字符串形式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收。由于是采用字符進行數(shù)據(jù)傳輸，所以可以利用上位機現(xiàn)有的字符串處理函數(shù)，很容易校驗數(shù)據(jù)正確性，并從數(shù)據(jù)幀中提取有效信息，避免因幀長度判斷引起的錯誤。另外，基于Zigbee傳輸速率較低、傳感器數(shù)據(jù)量小、刷新速度慢的需求等特點盡量減小和限制了協(xié)議中各數(shù)據(jù)域的占位寬度，保證傳輸效率。具體數(shù)據(jù)格式如表1所示。幀頭：本協(xié)議節(jié)點間的應用層交互主要有命令幀和數(shù)據(jù)幀。幀頭是辨別命令幀和數(shù)據(jù)幀而設立的。幀頭包括：Set、Get、Ack、Data4種。Set指的是主節(jié)點對采集節(jié)點進行參數(shù)設定，為命令幀，是主節(jié)點需要對子節(jié)點進行參數(shù)配置的時候發(fā)送的，子節(jié)點收到此類型幀后，發(fā)回Ack幀，說明參數(shù)設置成功與否；Get指的是其他節(jié)點需要獲取本節(jié)點信息，為命令幀，本節(jié)點收到此類型幀后，發(fā)送數(shù)據(jù)幀；Ack指的是節(jié)點間通信應答狀態(tài)幀，SUCC為成功、FAIL為失敗；Data指的是數(shù)據(jù)幀，攜帶節(jié)點參數(shù)、傳感器采集數(shù)據(jù)。如表2所示。目的地址：目的地址指的是Zigbee網絡中的設備唯一標識的網絡ID。為十六進制0X0000-0XFFFF之間值。其中有幾個地址值有特殊的含義，0XFFFF表示廣播地址；0XFFFE表示所有接收功能打開的設備；0XFFFC表示所有路由設備；其余地址為單一設備的網絡地址。網絡地址的獲得過程是：主節(jié)點設備啟動成功后，自設定為Zigbee網絡的主網絡ID0X0000，子節(jié)點設備在申請加入成功后獲得一個網絡身份標志ID。幀類型：在幀頭為Set、Get、Data時，此幀位置都有意義，分別代表設置、獲取、攜帶相應類型的節(jié)點信息。這些類型包括，傳感器數(shù)據(jù)(Sensor)、節(jié)點網絡地址(NAdr)、節(jié)點網絡類型(NType)、采集周期(Cycle)、產品信息(Info)、發(fā)送方式(SWay)、功率模式(PMode)、信道選擇(Channel)、AD參考電壓(ADMode)、默認發(fā)送地址(DSAdr)。信道數(shù)據(jù)：DataChannel796F800\r\n(第11（0x0B）無線信號通道)載荷：載荷是整個通信幀中最重要的部分，包括了通信的主要內容。載荷的具體內容需要根據(jù)幀類型來確定。描述如下：（1）幀類型為傳感器數(shù)據(jù)：此時載荷部分包括傳感器類型、傳感器ID、傳感器值。傳感器類型包括危化品物流車輛常見信號：1.溫度、2.門開關、3.真空度、4.液位、5.壓力、6.電壓、7.濕度、8.氣體、9.紅外10.光敏、11.傾斜。傳感器ID從0開始分配，表示同種類傳感器的使用編號。（2）幀類型為非傳感器數(shù)據(jù)：此時載荷部分攜帶網絡地址、采集周期、發(fā)送地址等值。結尾符：本協(xié)議結尾符為字符“\r\n”，加上字符串結束符‘\0’,固定為3個字節(jié)。結尾符是一幀數(shù)據(jù)的界定符，上位機軟件可以根據(jù)此結尾符很快能判定幀的長度，避免一些數(shù)據(jù)長度判讀錯誤的發(fā)生。

2.3軟件處理流程Z-stack協(xié)議棧基于輪詢機制，事件是最小處理單元，每個事件都有相應的處理函數(shù)，當事件管理數(shù)據(jù)結構相應的位置位時，協(xié)議棧通過輪詢機制就能發(fā)現(xiàn)并跳入相對應處理函數(shù)進行處理步驟，處理完再返回輪詢大循環(huán)。這里主要設置了3個事件，分別是串口事件、無線事件和采集事件。串口事件主要處理與上位機的通信；包括根據(jù)上位機命令修改本節(jié)點參數(shù)、接收發(fā)送數(shù)據(jù)等；無線事件主要處理數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收；采集事件主要處理傳感器的數(shù)據(jù)讀入、封裝、發(fā)送或者接收、解析、轉發(fā)等。處理流程圖如圖5所示。

2.4上位機配置軟件Zigbee設備邏輯類型包括3種，分別是主節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點。對于不同設備類型的具體處理流程，本設計編寫了統(tǒng)一的參數(shù)配置服務函數(shù)，可通過上位機軟件方便進行配置。比如，終端節(jié)點配置成具有傳感器數(shù)據(jù)的采集功能，可選擇無線和串口兩種發(fā)送方式，而對于路由器或者協(xié)調器，基于功耗考慮，則配置成不具有傳感器數(shù)據(jù)采集功能。通過設計節(jié)點上位機配置軟件ZigConfig來實現(xiàn)參數(shù)的配置，簡單的界面操作就能通過串口以上述數(shù)據(jù)格式下載到節(jié)點，并燒寫到CC2530的flash中永久保存起來，節(jié)點下一次啟動將以新的參數(shù)啟動。上位機配置軟件介紹如下：（1）配置軟件由QtCreator開發(fā)。QtCreator是Qt被Nokia收購后推出的一款新的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。支持的系統(tǒng)包括Linux（32位及64位）、MacOSX以及Windows。開發(fā)人員能利用該應用程序框架更快速及輕易地完成開發(fā)任務。（2）該配置軟件完成節(jié)點的設備類型、接口采集邏輯、入網參數(shù)等的配置。可直接通過串口線與待配置節(jié)點連接，也可以通過一個中間節(jié)點對待配置節(jié)點進行無線配置，中間節(jié)點通過串口線與上位機連接。操作界面如圖6所示。（3）如圖7，圖8所示，通過上位機配置軟件S1（實物圖如圖6所示）可方便地對待配置節(jié)點S2進行參數(shù)配置。對于待配置設備，如果是終端設備，配置前需先按下配置按鍵，指示燈亮后，裝置即進入配置模式；而如果是路由設備或協(xié)調器設備則無需此步驟。（4）有線配置如圖6所示：上位機通過串口線連接待配置設備，然后配置軟件上收到待配置節(jié)點S2發(fā)送過來的設備信息，并顯示在界面上，然后點擊配置按鈕，即發(fā)送配置幀到節(jié)點S2，點擊讀取配置按鈕，則將節(jié)點S2各項參數(shù)顯示在界面上，如果節(jié)點S2是數(shù)據(jù)透傳模塊，則可以直接接收數(shù)據(jù)或填寫目標地址發(fā)送數(shù)據(jù)。配置完后再按一下按鍵，指示燈不亮，表示配置完成。可以配置設備類型為Zigbee終端設備、路由設備、協(xié)調器設備和點對點透傳設備；可以配置入網參數(shù)，比如PANID值、信道、網絡模型、網絡層次等；可以配置傳感器發(fā)送周期，使各傳感器通道數(shù)據(jù)可以同一周期發(fā)送，也可以不相同周期發(fā)送等。（5）無線配置如圖8所示，采用一個節(jié)點作為數(shù)據(jù)中轉與上位機有線連接，通過這個節(jié)點無線發(fā)送指令到待配置節(jié)點進行配置，配置過程中的操作步驟與有線時類似。

3節(jié)點測試

3.1信號強度RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)是接收端的信號強度指示，可用來判定鏈接質量。實際應用中，普遍采用簡化后的Shadowing模型，即如下公式計算RSSI值。其中Pr（d）為接收端接收信號強度，Pr（d0）為參考處接收端接收信號強度，d為接收端與發(fā)送端實際距離，d0為接收端與發(fā)送端參考距離，n為路徑損耗指數(shù)，通常取2~4。取d0=1m，實測得Pr（d0）的值代入，并取n=3代入公式（1）得新的計算公式。實際測試中取兩個節(jié)點，分別設為協(xié)調器節(jié)點和終端節(jié)點。將協(xié)調器節(jié)點固定，令終端節(jié)點遠離，終端節(jié)點加入?yún)f(xié)調器節(jié)點網絡后，每隔1s發(fā)送一次數(shù)據(jù)到協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)包后，從TI協(xié)議棧Z-Stack的數(shù)據(jù)結構afIncom-ingMSGPacket_t中提取RSSI值記錄下來。100M范圍每隔5M記錄一次RSSI值，每次記錄100個值，然后取100個中的隨機值和平均值分別作為本次終值繪制曲線。

3.1.1空曠環(huán)境下測得Pr（d0）=-28dbm，按照公式(2)與實際數(shù)據(jù)，繪制對比曲線。從圖9和圖10對比曲線可以看出，隨著兩節(jié)點間距離增大，RSSI值會逐漸衰減，符合一般規(guī)律。0-20m范圍內，RSSI衰減較快，之后較為平緩。40m后信號質量普遍較理論值平緩，可能是受硬件條件影響，誤差增大。圖9由于每次記錄取的隨機值，存在較大誤差，圖10每次記錄取100個數(shù)據(jù)的平均值，曲線較為平緩。誤差因素包括硬件設計、周邊環(huán)境影響等。

3.1.2危化品物流車輛環(huán)境下采用深圳市中集集團液化氣罐(空罐)危化品物流車輛進行實地測試，測試車輛長度14m，寬度2.5m。將協(xié)調器節(jié)點放置在車駕駛座，終端節(jié)點自由放置于車廂體內部，加入網絡并發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調器節(jié)點。測得Pr（d0）=-44dbm，根據(jù)公式（2）和實際數(shù)據(jù)的結果曲線如下：由圖11和圖12可以看出，在車輛環(huán)境下，節(jié)點信號普遍較空曠環(huán)境下差，這主要是因為接收節(jié)點被放進車輛箱體內部，信號一定程度上受到廂體衰減。大于40m距離后信號變得不穩(wěn)定，通信斷續(xù)和重連情況發(fā)生頻繁，此時RSSI值普遍>82dbm，80m后多次測試接收端均接收不到數(shù)據(jù)。

3．2數(shù)據(jù)傳輸將協(xié)調器節(jié)點放置在車駕駛座，終端節(jié)點自由放置于車輛廂體內部，加入網絡并發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調器節(jié)點。在協(xié)調器端統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)包個數(shù)，并計算丟包情況和最大穩(wěn)定通信距離(即數(shù)據(jù)通信情況良好，極少發(fā)生重連情況)，結果如下。由表3可以看出，主節(jié)點在車駕駛室情況下，車正前方和側面信號要好于車后方信號，節(jié)點丟包率較低，通信距離>=25M，滿足一般危化品物流車輛要求。另外，通信的最大穩(wěn)定傳輸RSSI值是極少斷網重連情況發(fā)生下的統(tǒng)計值，所以普遍低于信號強度曲線中的極限值。隨著距離增大，節(jié)點間的網絡傳輸也會變得不穩(wěn)定，常常發(fā)生斷網重連，甚至無法重連狀況。實際數(shù)據(jù)包傳輸受節(jié)點間不同阻擋物、不同車型、車體電磁干擾、程序執(zhí)行等因素影響。

3．3功耗通過萬用表、示波器和在程序中設計測試模塊的結合進行功耗測試，測試結果如下。從表4的測試結果可以看出，節(jié)點滿足低功耗要求，休眠情況下，節(jié)點功耗低至0.33uA。

4結語

基于Zigbee技術，實現(xiàn)了危化品運輸車輛無線傳感數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟硬件，通過實驗證明，此節(jié)點信號和數(shù)據(jù)傳輸性能滿足相關需求，特別是在危化品車輛廂罐體內信號衰減較大環(huán)境下，最大穩(wěn)定通信距離滿足要求，并具有丟包率低、穩(wěn)定性高、低功耗、投資成本低等優(yōu)點，是將Zigbee技術應用于交通運輸行業(yè)的典型案例，值得借鑒與推廣。

作者：鄒建基單位：廣東工業(yè)大學自動化學院