基于ZigBee嵌入式雙網路由交換節點的設計*

朱 磊，董 亮，夏 穎，孫振龍，王艷春，李 會

(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)

基于ZigBee嵌入式雙網路由交換節點的設計*

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)

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管的問題，采用物聯網技術，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點進行傳輸。通過上位機與下位機的系統測試表明，該系統具有數據處理能力高、網絡信號強、系統維護方便等優點，該系統在油田數據監測中具有較好的應用前景。

ZigBee；數據采集；交換節點；無線網絡

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，一旦通信鏈路發生故障，整個測控系統就可能癱瘓，嚴重影響了系統的可靠性。

ZigBee是一種無線網絡協議，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調，這些信息通過無線方式發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端[1-3]。油田作業地處偏遠，無線網絡由于節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網絡的互聯互通，提出了一種可行性解決方案。

1 ZigBee終端采集節點設計方案

ZigBee終端采集節點硬件電路主要由 ZigBee射頻系統電路、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環境里的傳感器(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為數字電路能夠判斷的數電信號并傳輸給ZigBee控制器；ZigBee射頻系統主要負責把采集到的數據進行轉換、分析并且與其他節點進行通信；電源電路部分是終端節點最需要考慮的部分，考慮到節點的節能、便捷等功能，一般是采用電池供電，節點電源采用三節1.5V堿性電池組成，以進一步減小體積，提高節點方便程度。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。

圖1 ZigBee終端采集節點硬件框圖

2 射頻系統電路設計

本文設計的射頻系統在 CC2530的基礎上，加上的一個天線功放RFX2401C芯片，使系統的數據收發的精確率、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境（如：野外、采油荒地），增加網絡的可靠性。

TI公司發布的 datasheet里給出了 CC2530的典型應用圖。本系統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。

3 通信網絡服務器設計

ZigBee終端節點主要完成發現網絡、加入網絡、數據的采集和發送、接收協調器的控制命令等功能[6，7]，它是整個系統的感知末梢，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，困此在其休眠期間不會處理父節點發送過來的數據信息。將終端節點的傳感器數據采集與節點休眠結合起來，當節點完成數據采集后，立刻將數據發往父節點，待發送成功后該節點采取休眠喚醒機制，進入休眠狀態時切斷部分電源，休眠計時時間到后，則節點進行下一輪的數據采集與發送過程。

圖2 射頻電路原理圖

終端節點的 ZigBee協議棧是通過在 main（）中引入OSAL操作系統，然后進入網絡，由 ZDO實現終端節點加入網絡的過程，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。終端節點軟件框圖如圖3所示。

圖3 終端節點軟件框圖

4 以太網監控平臺設計

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。

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 ofEnrollmentOffice，University of Qiqihar，Qiqihar 161006，China）

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.

ZigBee；data collection；switching nodes；wireless network

TP212.9

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.040

朱磊，董亮，夏穎，等.基于ZigBee嵌入式雙網路由交換節點的設計[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.

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531775）