《電子技術應用》
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基于ZigBee嵌入式雙網路由交換節(jié)點的設計
2015年電子技術應用第7期
朱 磊1,，董 亮1,，夏 穎1，孫振龍2,，王艷春1,，李 會1
1.齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院,，黑龍江 齊齊哈爾161006； 2.齊齊哈爾大學 招生辦,，黑龍江 齊齊哈爾161006
摘要： 針對油井位置偏遠,，線路架設不便，不能實時,、有效地對其進行日常數據采集與監(jiān)管的問題,，采用物聯(lián)網技術，通過ZigBee的自組網與Internet相結合,，有效地將油田采集的數據通過所設計的交換節(jié)點進行傳輸,。通過上位機與下位機的系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)具有數據處理能力高,、網絡信號強,、系統(tǒng)維護方便等優(yōu)點，該系統(tǒng)在油田數據監(jiān)測中具有較好的應用前景,。
中圖分類號： TP212.9
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.040
中文引用格式： 朱磊,，董亮，夏穎,，等. 基于ZigBee嵌入式雙網路由交換節(jié)點的設計[J].電子技術應用,，2015，41(7)：144-145,，149.
英文引用格式： Zhu Lei,，Dong Liang，Xia Ying,，et al. Design of embedded dual network routing and switching nodes based on ZigBee[J].Application of Electronic Technique,，2015，41(7)：144-145,，149.
Design of embedded dual network routing and switching nodes based on ZigBee
Zhu Lei1,，Dong Liang1，Xia Ying1,，Sun Zhenlong2,，Wang Yanchun1，Li Hui1
1.Institute of Communications and Electronics Engineering,，University of Qiqihar,，Qiqihar 161006，China,； 2.Institute of Enrollment Office,，University of Qiqihar，Qiqihar 161006,，China
Abstract： Aiming at the problem that the oil wells located remotely,，the data can′t be real-time colleated and superrised,，this paper uses WSN technology, through the ZigBee ad-hoc network combined with the Internet,which can make oil field collected data transfer through the exchange nodes. The upper machine and lower machine system test show that the system has the advantages of high data processing capabilities, the strong network signal and convenient system maintenance, and the system has good application prospect in oil field monitoring data.
Key words : ZigBee；data collection,；switching nodes,；wireless network

   

0 引言

    隨著微電子技術、云計算,、傳感器技術,、網絡技術的飛速發(fā)展，把無線傳感網技術與石油生產相結合,，建立數字化油田,，已經成為國內外一些研究機構或科研院所的研究焦點。我國石油儲量豐富,，然而與世界上主要產油國家相比,，數字化建設水平還有待提高。油田的勘探,、鉆井,、測井、錄井等野外作業(yè)流動性強,，點多,、分散、距離長,，隨著工作面的不斷推進, 通信線路的延伸和維護變得越來越復雜, 一旦通信鏈路發(fā)生故障, 整個測控系統(tǒng)就可能癱瘓, 嚴重影響了系統(tǒng)的可靠性,。

    ZigBee是一種無線網絡協(xié)議，可以免費使用2.4 GHz的頻段,，并且可以實現在數千個微小的傳感器之間進行相互協(xié)調,，這些信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端[1-3],。油田作業(yè)地處偏遠,，無線網絡由于節(jié)點數量有限只能做為數據采集與傳輸[4，5],，不能將其無限拓展,。為解決該問題，本文針對無線傳感網絡與Internet網絡的互聯(lián)互通,，提出了一種可行性解決方案,。

1 ZigBee終端采集節(jié)點設計方案

    ZigBee終端采集節(jié)點硬件電路主要由ZigBee射頻系統(tǒng)電路、信息采集電路等幾個模塊構成,，結構如圖1所示,。信息采集電路的主要功能是完成將油田作業(yè)環(huán)境里的傳感器(如溫濕度、光強度、設備電壓電流值,、油氣氣壓值等)采集到的電信號轉變?yōu)閿底蛛娐纺軌蚺袛嗟臄惦娦盘柌鬏斀oZigBee控制器,；ZigBee射頻系統(tǒng)主要負責把采集到的數據進行轉換、分析并且與其他節(jié)點進行通信,；電源電路部分是終端節(jié)點最需要考慮的部分,，考慮到節(jié)點的節(jié)能、便捷等功能,，一般是采用電池供電，節(jié)點電源采用三節(jié)1.5 V堿性電池組成,，以進一步減小體積,，提高節(jié)點方便程度。為了提高電路板的利用率,，將干電池,、天線以背板的形式安放。

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2 射頻系統(tǒng)電路設計

    本文設計的射頻系統(tǒng)在CC2530的基礎上,，加上的一個天線功放RFX2401C芯片,，使系統(tǒng)的數據收發(fā)的精確率、通信范圍得到一定程度的提升,。配上一個9dBi的天線,，理論上的通信范圍可以到一千多米。這樣的設計可以適合一些復雜的環(huán)境（如：野外,、采油荒地）,，增加網絡的可靠性。

    TI公司發(fā)布的datasheet里給出了CC2530的典型應用圖,。本系統(tǒng)的設計是根據典型應用圖設計的,，電路原理圖如圖2所示。主時鐘電路中采用一個32 MHz晶振（Y2）和2個22 pF的負載電容（C13,、C14）,，可選時鐘電路以一個32.768 kHz時鐘晶振（Y1）和2個15 pF的負載電容(C3、C4),；天線的輸入/輸出匹配采用巴倫阻抗匹配網絡,，只需幾個分立電感和電容（L2、C9,、L3,、C12）就可實現；天線功放芯片的外圍電路也很少,，高頻設備的電源輸入設計需要電容進行濾波,，其TXEN和RXEN引腳是發(fā)送和接收使能引腳，本設計中校仿CC2591功放接法,，分別接P1_4和P1_1,；天線使用50 Ω的鞭狀負極性全向天線,，本系統(tǒng)的電路中必須對電源進行去耦濾波以獲得更好的性能，在這樣的高頻電路設計中,，去耦電容和濾波電感的位置,、尺寸和精度對獲得最佳性能是非常關鍵的。

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3 通信網絡服務器設計

    ZigBee終端節(jié)點主要完成發(fā)現網絡,、加入網絡,、數據的采集和發(fā)送、接收協(xié)調器的控制命令等功能[6,，7],，它是整個系統(tǒng)的感知末梢，其功耗問題一直是人們考慮的熱點,。由于ZigBee芯片是8051內核,，沒有多線程操作，因此在其休眠期間不會處理父節(jié)點發(fā)送過來的數據信息,。將終端節(jié)點的傳感器數據采集與節(jié)點休眠結合起來,，當節(jié)點完成數據采集后，立刻將數據發(fā)往父節(jié)點,，待發(fā)送成功后該節(jié)點采取休眠喚醒機制,，進入休眠狀態(tài)時切斷部分電源，休眠計時時間到后,，則節(jié)點進行下一輪的數據采集與發(fā)送過程,。

    終端節(jié)點的ZigBee協(xié)議棧是通過在main（）中引入OSAL操作系統(tǒng)，然后進入網絡,，由ZDO實現終端節(jié)點加入網絡的過程,，如果加入成功，在應用層會收到ZDO_STATE_CHANGE消息,，通過查找消息可以知道網絡的狀態(tài),。終端節(jié)點軟件框圖如圖3所示。

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4 以太網監(jiān)控平臺設計

    為了有效觀察ZigBee遠程采集的數據,，采用Java進行了客戶端設計,，該客戶端可以實現油田數據的實時采集與信息處理。軟件流程圖如圖4所示,。

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    首先要建立網絡連接,，并通過服務器的端口形成一條虛擬的連接。通過這個連接,，客戶端根據需要,，可以通過向服務器發(fā)送請求響應而決定交換數據。然后將要描繪的數據存入txt文本中，調用算法工具進行畫圖,，當交換完數據后釋放所占用的端口,。上位機界面如圖5所示。

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5 結束語

    采用無線傳感網絡與Internet相結合的方式設計了具有無線自由組網功能的數據采集與傳輸系統(tǒng),。該系統(tǒng)充分發(fā)揮Internet在數據傳輸效率高,、可靠性強，無線傳感網的自組網能力強等優(yōu)點,，在提高系統(tǒng)工作效能,、降低系統(tǒng)功耗及運營成本方面表現出較大的優(yōu)勢。不僅解決了通信線路的鋪設問題,，同時也解決了油田參數采集與實時監(jiān)控的傳輸要求,，更加符合數字化油田的需求，具有良好的應用前景,。

參考文獻

[1] 王雷.ZigBee無線傳感網絡在油田中的應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[2] 金純,，羅祖秋,，羅鳳，等.ZIGBEE技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,，2008：321-337.

[3] 李文仲,，段朝玉. ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：128-177.

[4] 廖之健,，徐治康,，趙讀俊.ZigBee無線傳感器網絡的振動數據采集系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2011,，37(3)：22-25.

[5] 紀金水．基于ZigBee無線傳感器網絡技術的系統(tǒng)設計[J]．計算機工程與設計,，2007，28(2)：404-408.

[6] 馮仁劍,，張帥鋒,，于寧，等.應用于天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點設計與實現[J].傳感技術學報,，2009,，22(10)：1492-1497.

[7] 邵舒淵，盧選民.基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].電子技術應用,，2008(6)：138-140.

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