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基于ZigBee的氣瓶無線收發管理系統研究
基于ZigBee的氣瓶無線收發管理系統研究
摘要：氣瓶的收發管理是實現氣瓶安全監控的一個重要環節。本文提出了一種通過 ZigBee無線通訊網絡控制氣瓶收發過程以加強安全管理的系統方案。通過為氣瓶安裝條碼作為唯一標識，以便攜式采集器為無線傳感器，設計實現了氣瓶無線收發管理系統。文中給出了系統的設計架構，無線基站和便攜式采集器的軟硬件設計方案。實踐證明，該系統具有良好的實用性和應用價值。
1 引言
隨著我國國民經濟的迅猛發展，各種工業氣體的需求量不斷增加，氣體行業面臨良好的發展機遇。但由于氣瓶的數量大、流動性強、缺少唯一標識，單憑人眼觀察和手工查閱檔案無法快速識別氣瓶。通過為氣瓶安裝固定條碼“身份證”，建立氣瓶電子履歷檔案，加強收發監控，確保合格的氣瓶進入市場流通是進行氣瓶管理的一個重要手段。為提高工作效率和系統的穩定性，建立一個低能耗、經濟高效、短時延的無線網絡系統，使用“便攜式條碼數據采集器”識讀氣瓶的條碼標識[1]是一個十分有發展前景的解決方案。本文將就基于ZigBee技術的無線收發管理系統進行研究。
2 ZigBee無線傳感器網絡
2.1 ZigBee協議及其特點
ZigBee是一組基于IEEE802.15.4規范的、工作在2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）、915MHz（美國）的短距離無線技術。完整的ZigBee協議由物理層、介質存取層、數據鏈路層、網絡層和應用層組成。其中IEEE802.15.4負責物理層、介質存取層以及數據鏈路層的標準。其上的網絡協議層和應用層由ZigBee聯盟制定標準。同時ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證不會意外泄漏其標識，而且遠距離傳輸不會被其他節點獲得。ZigBee協議具有比較明顯的特點，尤其在經濟和擴展性方面。表1列出了其主要特點 [2]。
這些特點，使ZigBee特別適合傳輸距離短、傳輸速率要求不高、但是對于時延和功耗要求較高的場合。氣瓶的收發管理要求有較高的響應速率，同時為了適合大多數場合使用，要求有較低的成本和較低的復雜度，ZigBee技術恰好符合這些要求，是一種比較理想的技術。
2.2 ZigBee無線傳感器網絡原理
ZigBee網絡中的節點按照其實現的功能復雜程度可以分為全功能器件和簡化功能器件[3]。所謂的全功能器件就是實現了ZigBee協議中的全部的49個參數。而簡化功能器件一般是指實現了其中的38個參數的器件。這些器件按照不同的組織形式可以形成星型、網狀和兩者混合型的拓撲結構。在一個特定的ZigBee網絡中，節點按照其功能可以分為協調器節點(Coordinator)、路由節點(Router)和傳感器節點(SensorPoint)。這三種節點都具有傳感、信號處理和無線通信功能，它們既是數據的發起者，也是數據的轉發者。他們通過網絡自組織和多跳路由，將數據發向協調器節點，由協調器節點通過RS232方式亦可以使用無線方式與外部通信，大規模的應用可能使用多個協調器節點即多個ZigBee網絡。每個ZigBee網絡由不同的標識符標識，網絡之間可以通過協調器節點進行通訊。
3. 收發系統的設計
3.1 系統的總體結構
系統總體結構如圖1所示，本系統結構分為三層：由終端節點和功能節點組成的數據采集傳輸層、由無線基站構成的數據處理層、由后臺ERP中心構成的ERP數據服務器層。本系統中，終端節點由帶有無線ZigBee發送模塊構成的“便攜式條碼數據采集器”組成。當采集到條碼信息后，通過ZigBee無線通信方式發送至基站, 基站負責對采集到的信息進行處理，由預先設定的規則，進行數據的檢索和計算，并根據處理的結果給出相應的信息，如合格、過期、報廢、介質不符等眾多信息。ERP中心負責與基站進行數據的同步。
3.2 系統的硬件設計
本系統中硬件設備中的無線通信射頻模塊在內部集成符合IEEE 802.15.4 標準的2.4 GHz的射頻(RF)收發器的CC2510無線單片機。CC2510是一個真正的系統芯片(SoC), 滿足無線傳感器網絡對低成本、低功耗的要求。它包括了一個高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列擴頻)射頻收發器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2510芯片采用0.18um CMOS工藝生產,在接收和發射模式下, 電流損耗分別小于27mA和25mA。CC2510單片機低電流損耗、低啟動時延、強抗干擾能力等許多特性特別適合需要及時響應、小傳輸量的無線傳感器網絡應用。
3.2.1 基站硬件平臺
無線基站的除了需要和其他節點進行通訊外，另外一個重要的功能就是實現與以太網的互聯。無線基站由下列部分組成：CC2510無線單片機，采用ARM核的LPC2210微控制器,RTL8019AS以太網控制器芯片等；LPC2210內嵌16KB動態RAM，通過外部接口可以擴展4組每組16MB的外部FLASH存儲器；LPC2210微控制器可以通過高速I 2C接口（400kbit/s）實現與無線單片機的通訊。ZigBee基站電路圖示意圖如下圖2所示。
3.2.2 終端節點硬件平臺
本系統終端節點負責條碼的讀取以及數據的預處理和結果信息的顯示, 并需要將數據傳輸到ZigBee基站。無線終端由下列部分組成： CC2510無線單片機，條碼識別模塊，條碼讀取模塊；電源管理模塊、數據存儲模塊和信息顯示模塊等。條碼識別模塊通過I2C總線與CC2510單片機接口, 用CC2510單片機I/O口模擬I 2C總線, 沒有另外增加專門的I 2C總線控制器。終端節點構成示意圖如下圖3所示。
條碼讀取存儲管理信息顯示
3.3 系統的軟件設計
3.3.1 無線基站軟件設計無線基站軟件由以下幾個部分組成：數據交互模塊，數據處理模塊，數據管理模塊和系統功能設置模塊組成。其中各個模塊的功能如下：（1）數據交互模塊負責接受無線單片機傳送來的氣瓶數據，同時負責按一定的格式將處理的結果下發給無線網絡；（2）數據處理模塊負責與數據庫管理管理模塊交互，實現氣瓶電子檔案的查詢，實時檔案數據的記錄和整理等；（3）數據管理模塊負責與ERP中心通過以太網完成氣瓶電子檔案的更新與維護等；（4）系統設置模塊主要負責根據需要配置整個系統，按需求顯示監控數據，查詢歷史數據等。其中基站接受一個氣瓶檔案查詢的處理過程如圖4所示。
3.3.2 無線手持器軟件設計
無線手持器主要承擔兩個方面的功能：一是作為ZigBee的傳感器節點，承擔數據采集和發送的任務。另一個方面需要響應用戶指令，實現和用戶的交互。其中二維條碼的讀碼和解碼讀者可參閱相關文獻，在此不作贅述 [4]。用戶交互實現收發的管理是手持器軟件設計的關鍵。在充分考慮手持器存儲能力和計算效率的基礎上，對無線基站和手持器的負載進行了精心的平衡設計。大部分計算任務由無線基站完成，手持器承擔簡單的用戶輸入、操作工序選擇、條碼發送、結果接收和顯示等功能，有效地降低了手持器設計的復雜性。
4．結論
無線氣瓶收發管理系統基于先進的ZigBee技術，實現了對氣瓶收發的實時管理。系統具有很好的擴展性，支持手持器的動態加入和退出，能有效實現氣瓶的識別和用戶的跟蹤，大大降低了管理的復雜程度，提高了效率。實踐證明，具有較好的推廣應用價值。
本文的創新點：提出了一種通過控制氣瓶收發過程加強安全管理的解決方案。借助為氣瓶安裝固定條碼“身份證”，建立電子履歷檔案，加強收發管理，確保合格的氣瓶進入市場，有效地降低了氣瓶使用的隱患。在氣瓶收發管理系統中使用基于 ZigBee的新技術，提高了系統的性能。