基于Zigbee的船舶状态监控系统的设计与实现

船舶状态监控系统是现代船舶自动化的一个重要标志，可分为机舱内监控和机舱外监控。机舱内船舶主要机械设备的工作状态以及机舱外船舶的运行环境是否正常，直接关系着整个船舶能否正常运行，因而对船舶相关机械设备和环境的重要参数(温度，压力，气体浓度等)进行实时监控具有重要意义。目前的船舶监控模式基本为有线式的集中监控，而利用无线传感网络节点来替代传统的有线的传感网络节点进行相关的监测和控制工作，能够有效的解决由于船舶空间的复杂性造成的布线困难、不易维护等技术难点，此外还降低了施工人员的工作强度以及工程成本。因此，利用Zigbee无线技术进行监控，相比与有线监控技术具有许多技术优势。

1 Zigbee技术简介

Zigbee是一种新兴的基于IEEE802.15.4无线标准开发的近距离、低复杂度、低成本、低功耗、自组织的无线组网通信技术，以2.4 GHz为主要频段，采用扩频技术。每个具有完整功能的Zigbee节点有两种功能：与监控对象(如传感器节点)直接进行连接，来完成数据的采集和监控任务;此外还有简单的路由中转功能，在自己信号覆盖的范围内，与网络中其它的承担中转任务的多个节点进行无线连接。由于其架构简单，再加上节点体积小，且能自动组网，因此网络布局十分简单方便;再加上大量的节点能进行群体协作，网络本身具有很强的自愈能力，任何一个节点的损坏都不会对整体任务的完成造成致命性的影响，非常适合用来组建无线传感网络l引。由于这些特点，Zigbee技术在将来的工业控制、家庭自动化、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备等领域发挥的作用会越来越突出。

Zigbee协议标准采用分层结构，每一层为其上层提供特定服务：数据服务实体和管理实体分别提供数据传输服务和其他管理服务。协议栈中的每一层都通过服务访问点(SAP)

向上层提供相应的服务，每个SAP通过服务原语来实现对应的功能。Zigbee联盟在IEEE802.15.4标准定义的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)的基础上定义了网络层(NWK)、应用层(APL)以及安全服务规范。应用层由应用框架(AF)、应用支持子层(APS)、Zigbee设备对象(ZDO)以及用户自定义的应用对象组成。用户可以在这个标准的基础上开发所需的应用。

2 系统总体架构设计

系统主要由Zigbee终端设备节点(传感器节点)、路由设备节点、协调器节点和上位机监控系统组成，整体结构图如图1所示。基于Zigbee的船舶状态监控系统的主要功能就是将船舶的传感信息参数数据采集至Zigbee终端设备节点，终端设备节点通过无线网络把采集到的数据传输到Zigbee路由器节点，路由器节点主要承担数据接力功能，然后路由器节点将转发过来的数据通过无线网络传输到Zigbee协调器节点，最后协调器节点利用串行接口把数据传送至上位机监控系统。

上位机系统部分是本系统的人机交互界面，主要负责数据的分析和显示;协调器负责整个网络的建立与管理，通过串口把终端设备采集到的数据传送到上位机;路由器主要负责数据的转发，从而扩大网络的覆盖发范围;终端设备节点主要负责现场数据的收集，并把数据传到路由器或协调器。协调器能与多个终端设备进行直接通信，路由器节点主要是起到多跳路由作用。由于船舶机舱环境复杂，无线信号极容易受到障碍物的阻挡，因此这就要求无线通信能实现多跳功能。所谓多跳无线通信就是指利用全功能节点的路由转发功能，将数据通过转发从而达到要求的传输距离或避开障碍物。Zigbee协议栈存在路由功能，只需在节点载入协议栈的路由程序，采用树形或网状的网络拓扑结构就可实现多跳的无线通信。本文的设计重点是介绍Zigbee无线传感网络在船舶上的具体实现，因此将不讨论上位机的用户界面的具体设计。

3 系统硬件设计

本设计的硬件核心部分为TI公司生产的CC2530芯片。CC2530能以很低的材料成本以及很简单的外部电路设计建立起非常强大的无线传感网络节点，而且还不用考虑射频电路的设计，它集成了一个高性能的RF(射频天线)收发器、一枚业界标准的增强型8501微控制器内核(MCU)以及有8K的RAM，支持四种不同版本的Flash存储器(32/64/128/256KB)拥有强大的五通道DMA，CSMA/CA硬件支持，AES加密安全协处理器，两个通用同步串口，支持多种串行通信协议。协调器在整个网络中处理的数据最多，职责最重，因此协调器选择使用存储器是256K的CC2530芯片。由于CC2530有多种不同的运作模式和真正的片上系统(Soc)解决方案，使得很适合用在低功耗的系统中，而且不需要国语复杂的外围电路。

3.1 协调器节点和路由器节点硬件设计

协调器与路由器的硬件模块基本相同，最大的不同就是路由节点没有串口电路，以下只介绍协调器的硬件设计。协调器节点是由CC2530芯片与串口模块组成，本设计的串口

模块选用的是MAX3232芯片来完成RS232串口数据的电平转换。此外协调器节点还包括电源模块、射频天线(RF)模块以及晶振电路等模块。电源模块用于为协调器节点的其它功能模块供电，保证节点的正常运行，供电电压为2.0～3.6V之间。RF模块主要用于数据的无线收发和传送。晶振模块是两个不同频率的晶振，分别用于无线收发数据和休眠状态。协调器节点硬件的结构框图如图2所示。

3.2 终端设备节点硬件设计

在监控系统中，分布最广数量最多的就是终端设备节点，主要负责对船舱重要数据的收集与传送。终端设备节点由处理器模块(CC2530)、电源模块、射频天线(RF)模块、晶

振电路模块以及传感器单元等模块组成。传感器单元模块主要是一些温度，湿度，气体浓度，压力等传感器。另外为保证终端节点设备的灵活性，电源的供电方式一般采用两节电池供电，因为CC2530的工作电压在2～3.6 V，而两节电池的电压一般在3 V左右，因此完全能满足其工作电压。不过对于部分对工作电压要求高的传感器，电池电压达不到其工作的最低标准时，可以使用外部直流电源为其供电。终端设备节点硬件的结构框图如图3所示。