《电子技术应用》
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基于ZigBee嵌入式双网路由交换节点的设计
2015年电子技术应用第7期
朱 磊1,董 亮1,夏 颖1,孙振龙2,王艳春1,李 会1
1.齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院,黑龙江 齐齐哈尔161006; 2.齐齐哈尔大学 招生办,黑龙江 齐齐哈尔161006
摘要: 针对油井位置偏远,线路架设不便,不能实时、有效地对其进行日常数据采集与监管的问题,采用物联网技术,通过ZigBee的自组网与Internet相结合,有效地将油田采集的数据通过所设计的交换节点进行传输。通过上位机与下位机的系统测试表明,该系统具有数据处理能力高、网络信号强、系统维护方便等优点,该系统在油田数据监测中具有较好的应用前景。
中图分类号: TP212.9
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.040
中文引用格式: 朱磊,董亮,夏颖,等. 基于ZigBee嵌入式双网路由交换节点的设计[J].电子技术应用,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

    随着微电子技术、云计算、传感器技术、网络技术的飞速发展,把无线传感网技术与石油生产相结合,建立数字化油田,已经成为国内外一些研究机构或科研院所的研究焦点。我国石油储量丰富,然而与世界上主要产油国家相比,数字化建设水平还有待提高。油田的勘探、钻井、测井、录井等野外作业流动性强,点多、分散、距离长,随着工作面的不断推进, 通信线路的延伸和维护变得越来越复杂, 一旦通信链路发生故障, 整个测控系统就可能瘫痪, 严重影响了系统的可靠性。

    ZigBee是一种无线网络协议,可以免费使用2.4 GHz的频段,并且可以实现在数千个微小的传感器之间进行相互协调,这些信息通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端[1-3]。油田作业地处偏远,无线网络由于节点数量有限只能做为数据采集与传输[4,5],不能将其无限拓展。为解决该问题,本文针对无线传感网络与Internet网络的互联互通,提出了一种可行性解决方案。

1 ZigBee终端采集节点设计方案

    ZigBee终端采集节点硬件电路主要由ZigBee射频系统电路、信息采集电路等几个模块构成,结构如图1所示。信息采集电路的主要功能是完成将油田作业环境里的传感器(如温湿度、光强度、设备电压电流值、油气气压值等)采集到的电信号转变为数字电路能够判断的数电信号并传输给ZigBee控制器;ZigBee射频系统主要负责把采集到的数据进行转换、分析并且与其他节点进行通信;电源电路部分是终端节点最需要考虑的部分,考虑到节点的节能、便捷等功能,一般是采用电池供电,节点电源采用三节1.5 V碱性电池组成,以进一步减小体积,提高节点方便程度。为了提高电路板的利用率,将干电池、天线以背板的形式安放。

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2 射频系统电路设计

    本文设计的射频系统在CC2530的基础上,加上的一个天线功放RFX2401C芯片,使系统的数据收发的精确率、通信范围得到一定程度的提升。配上一个9dBi的天线,理论上的通信范围可以到一千多米。这样的设计可以适合一些复杂的环境(如:野外、采油荒地),增加网络的可靠性。

    TI公司发布的datasheet里给出了CC2530的典型应用图。本系统的设计是根据典型应用图设计的,电路原理图如图2所示。主时钟电路中采用一个32 MHz晶振(Y2)和2个22 pF的负载电容(C13、C14),可选时钟电路以一个32.768 kHz时钟晶振(Y1)和2个15 pF的负载电容(C3、C4);天线的输入/输出匹配采用巴伦阻抗匹配网络,只需几个分立电感和电容(L2、C9、L3、C12)就可实现;天线功放芯片的外围电路也很少,高频设备的电源输入设计需要电容进行滤波,其TXEN和RXEN引脚是发送和接收使能引脚,本设计中校仿CC2591功放接法,分别接P1_4和P1_1;天线使用50 Ω的鞭状负极性全向天线,本系统的电路中必须对电源进行去耦滤波以获得更好的性能,在这样的高频电路设计中,去耦电容和滤波电感的位置、尺寸和精度对获得最佳性能是非常关键的。

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3 通信网络服务器设计

    ZigBee终端节点主要完成发现网络、加入网络、数据的采集和发送、接收协调器的控制命令等功能[6,7],它是整个系统的感知末梢,其功耗问题一直是人们考虑的热点。由于ZigBee芯片是8051内核,没有多线程操作,因此在其休眠期间不会处理父节点发送过来的数据信息。将终端节点的传感器数据采集与节点休眠结合起来,当节点完成数据采集后,立刻将数据发往父节点,待发送成功后该节点采取休眠唤醒机制,进入休眠状态时切断部分电源,休眠计时时间到后,则节点进行下一轮的数据采集与发送过程。

    终端节点的ZigBee协议栈是通过在main()中引入OSAL操作系统,然后进入网络,由ZDO实现终端节点加入网络的过程,如果加入成功,在应用层会收到ZDO_STATE_CHANGE消息,通过查找消息可以知道网络的状态。终端节点软件框图如图3所示。

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4 以太网监控平台设计

    为了有效观察ZigBee远程采集的数据,采用Java进行了客户端设计,该客户端可以实现油田数据的实时采集与信息处理。软件流程图如图4所示。

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    首先要建立网络连接,并通过服务器的端口形成一条虚拟的连接。通过这个连接,客户端根据需要,可以通过向服务器发送请求响应而决定交换数据。然后将要描绘的数据存入txt文本中,调用算法工具进行画图,当交换完数据后释放所占用的端口。上位机界面如图5所示。

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5 结束语

    采用无线传感网络与Internet相结合的方式设计了具有无线自由组网功能的数据采集与传输系统。该系统充分发挥Internet在数据传输效率高、可靠性强,无线传感网的自组网能力强等优点,在提高系统工作效能、降低系统功耗及运营成本方面表现出较大的优势。不仅解决了通信线路的铺设问题,同时也解决了油田参数采集与实时监控的传输要求,更加符合数字化油田的需求,具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 王雷.ZigBee无线传感网络在油田中的应用研究[D].兰州:兰州理工大学,2011.

[2] 金纯,罗祖秋,罗凤,等.ZIGBEE技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008:321-337.

[3] 李文仲,段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:128-177.

[4] 廖之健,徐治康,赵读俊.ZigBee无线传感器网络的振动数据采集系统设计[J].电子技术应用,2011,37(3):22-25.

[5] 纪金水.基于ZigBee无线传感器网络技术的系统设计[J].计算机工程与设计,2007,28(2):404-408.

[6] 冯仁剑,张帅锋,于宁,等.应用于天然气管网安全监测的无线传感器网络节点设计与实现[J].传感技术学报,2009,22(10):1492-1497.

[7] 邵舒渊,卢选民.基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统研究与开发[J].电子技术应用,2008(6):138-140.