[发布日期] 2009/10/8 0:00:00

基于ZigBee的气瓶无线收发管理系统研究

摘要：气瓶的收发管理是实现气瓶安全监控的一个重要环节。本文提出了一种通过 ZigBee无线通讯网络控制气瓶收发过程以加强安全管理的系统方案。通过为气瓶安装条码作为唯一标识，以便携式采集器为无线传感器，设计实现了气瓶无线收发管理系统。文中给出了系统的设计架构，无线基站和便携式采集器的软硬件设计方案。实践证明，该系统具有良好的实用性和应用价值。

1 引言

随着我国国民经济的迅猛发展，各种工业气体的需求量不断增加，气体行业面临良好的发展机遇。但由于气瓶的数量大、流动性强、缺少唯一标识，单凭人眼观察和手工查阅档案无法快速识别气瓶。通过为气瓶安装固定条码“身份证”，建立气瓶电子履历档案，加强收发监控，确保合格的气瓶进入市场流通是进行气瓶管理的一个重要手段。为提高工作效率和系统的稳定性，建立一个低能耗、经济高效、短时延的无线网络系统，使用“便携式条码数据采集器”识读气瓶的条码标识[1]是一个十分有发展前景的解决方案。本文将就基于ZigBee技术的无线收发管理系统进行研究。

2 ZigBee无线传感器网络

2.1 ZigBee协议及其特点

ZigBee是一组基于IEEE802.15.4规范的、工作在2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国）的短距离无线技术。完整的ZigBee协议由物理层、介质存取层、数据链路层、网络层和应用层组成。其中IEEE802.15.4负责物理层、介质存取层以及数据链路层的标准。其上的网络协议层和应用层由ZigBee联盟制定标准。同时ZigBee联盟还开发了安全层，以保证不会意外泄漏其标识，而且远距离传输不会被其他节点获得。ZigBee协议具有比较明显的特点，尤其在经济和扩展性方面。表1列出了其主要特点 [2]。

这些特点，使ZigBee特别适合传输距离短、传输速率要求不高、但是对于时延和功耗要求较高的场合。气瓶的收发管理要求有较高的响应速率，同时为了适合大多数场合使用，要求有较低的成本和较低的复杂度，ZigBee技术恰好符合这些要求，是一种比较理想的技术。

2.2 ZigBee无线传感器网络原理

ZigBee网络中的节点按照其实现的功能复杂程度可以分为全功能器件和简化功能器件[3]。所谓的全功能器件就是实现了ZigBee协议中的全部的49个参数。而简化功能器件一般是指实现了其中的38个参数的器件。这些器件按照不同的组织形式可以形成星型、网状和两者混合型的拓扑结构。在一个特定的ZigBee网络中，节点按照其功能可以分为协调器节点(Coordinator)、路由节点(Router)和传感器节点(SensorPoint)。这三种节点都具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是数据的发起者，也是数据的转发者。他们通过网络自组织和多跳路由，将数据发向协调器节点，由协调器节点通过RS232方式亦可以使用无线方式与外部通信，大规模的应用可能使用多个协调器节点即多个ZigBee网络。每个ZigBee网络由不同的标识符标识，网络之间可以通过协调器节点进行通讯。

3. 收发系统的设计

3.1 系统的总体结构

系统总体结构如图1所示，本系统结构分为三层：由终端节点和功能节点组成的数据采集传输层、由无线基站构成的数据处理层、由后台ERP中心构成的ERP数据服务器层。本系统中，终端节点由带有无线ZigBee发送模块构成的“便携式条码数据采集器”组成。当采集到条码信息后，通过ZigBee无线通信方式发送至基站, 基站负责对采集到的信息进行处理，由预先设定的规则，进行数据的检索和计算，并根据处理的结果给出相应的信息，如合格、过期、报废、介质不符等众多信息。ERP中心负责与基站进行数据的同步。

3.2 系统的硬件设计

本系统中硬件设备中的无线通信射频模块在内部集成符合IEEE 802.15.4 标准的2.4 GHz的射频(RF)收发器的CC2510无线单片机。CC2510是一个真正的系统芯片(SoC), 满足无线传感器网络对低成本、低功耗的要求。它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列扩频)射频收发器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2510芯片采用0.18um CMOS工艺生产,在接收和发射模式下, 电流损耗分别小于27mA和25mA。CC2510单片机低电流损耗、低启动时延、强抗干扰能力等许多特性特别适合需要及时响应、小传输量的无线传感器网络应用。

3.2.1 基站硬件平台

无线基站的除了需要和其他节点进行通讯外，另外一个重要的功能就是实现与以太网的互联。无线基站由下列部分组成：CC2510无线单片机，采用ARM核的LPC2210微控制器,RTL8019AS以太网控制器芯片等；LPC2210内嵌16KB动态RAM，通过外部接口可以扩展4组每组16MB的外部FLASH存储器；LPC2210微控制器可以通过高速I 2C接口（400kbit/s）实现与无线单片机的通讯。ZigBee基站电路图示意图如下图2所示。

3.2.2 终端节点硬件平台

本系统终端节点负责条码的读取以及数据的预处理和结果信息的显示, 并需要将数据传输到ZigBee基站。无线终端由下列部分组成： CC2510无线单片机，条码识别模块，条码读取模块；电源管理模块、数据存储模块和信息显示模块等。条码识别模块通过I2C总线与CC2510单片机接口, 用CC2510单片机I/O口模拟I 2C总线, 没有另外增加专门的I 2C总线控制器。终端节点构成示意图如下图3所示。

条码读取存储管理信息显示

3.3 系统的软件设计

3.3.1 无线基站软件设计无线基站软件由以下几个部分组成：数据交互模块，数据处理模块，数据管理模块和系统功能设置模块组成。其中各个模块的功能如下：（1）数据交互模块负责接受无线单片机传送来的气瓶数据，同时负责按一定的格式将处理的结果下发给无线网络；（2）数据处理模块负责与数据库管理管理模块交互，实现气瓶电子档案的查询，实时档案数据的记录和整理等；（3）数据管理模块负责与ERP中心通过以太网完成气瓶电子档案的更新与维护等；（4）系统设置模块主要负责根据需要配置整个系统，按需求显示监控数据，查询历史数据等。其中基站接受一个气瓶档案查询的处理过程如图4所示。

3.3.2 无线手持器软件设计

无线手持器主要承担两个方面的功能：一是作为ZigBee的传感器节点，承担数据采集和发送的任务。另一个方面需要响应用户指令，实现和用户的交互。其中二维条码的读码和解码读者可参阅相关文献，在此不作赘述 [4]。用户交互实现收发的管理是手持器软件设计的关键。在充分考虑手持器存储能力和计算效率的基础上，对无线基站和手持器的负载进行了精心的平衡设计。大部分计算任务由无线基站完成，手持器承担简单的用户输入、操作工序选择、条码发送、结果接收和显示等功能，有效地降低了手持器设计的复杂性。

4．结论

无线气瓶收发管理系统基于先进的ZigBee技术，实现了对气瓶收发的实时管理。系统具有很好的扩展性，支持手持器的动态加入和退出，能有效实现气瓶的识别和用户的跟踪，大大降低了管理的复杂程度，提高了效率。实践证明，具有较好的推广应用价值。

本文的创新点：提出了一种通过控制气瓶收发过程加强安全管理的解决方案。借助为气瓶安装固定条码“身份证”，建立电子履历档案，加强收发管理，确保合格的气瓶进入市场，有效地降低了气瓶使用的隐患。在气瓶收发管理系统中使用基于 ZigBee的新技术，提高了系统的性能。