摘要：介紹了一種基于ZigBee無線傳感器網絡技術來實現(xiàn)航標遙測的新型終端，該終端是航標遙測遙控系統(tǒng)的關鍵部件。它的硬件電路采用S3C2410 ARM9微處理器、GPS模塊、ZigBee模塊和CDMA模塊搭建；軟件采用嵌入式ARM-Linux操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，通過多線程的協(xié)同模塊化設計和模塊之間的有機組合，實現(xiàn)整個終端所需功能的程序設計。經過調試和移植，結果表明終端可以穩(wěn)定地實現(xiàn)航標燈、GPS數據采集、Zig-Bee網絡和CDMA雙模數據傳輸功能和雙模自動切換、航標燈的遙測遙控等功能。
關鍵詞：ZigBee；遙控終端；ARM-Linux；多線程

0 引言
    航標是船舶在海上安全運行的重要保障，航標遙測終端的主要功能是實現(xiàn)對航標運行狀態(tài)、參數的實時監(jiān)控，并將數據傳輸到控制中心。對航標遙測終端的開發(fā)和研究已經將近10年，也取得了一些成果，對航標的管理和維護也有著重要的作用。但是，當前使用的航標遙測終端，由于處理器系統(tǒng)主要采用單片機，通信網絡采用GSM，CDMA，GPRS網等公網實現(xiàn)數據傳輸，使這種終端在功能和硬件資源方面有限，并在海上有的地方會出現(xiàn)通信的盲區(qū)或者信號不穩(wěn)定，造成目前的航標遙測遙控終端還存在著性能和穩(wěn)定性等方面的問題，還不能完全滿足現(xiàn)代化、信息化航標管理的要求。因此，使用新的技術和手段來開發(fā)航標遙測終端是相當必要的。
    ZigBee無線網絡能夠通過自組網形式進行數據的實時傳輸，并具有低寬帶、功耗低、體積小、集成度高、成本低、安全等特點，目前已經在自動控制、遠程監(jiān)控等領域得到了廣泛的應用。對于航標遙測系統(tǒng)，由于需要傳輸的數據量不大，所以采用高寬帶是多余的，而使用ZigBee技術是適合的。
    因此，本文介紹一種在S3C2410處理器和ARM-Linux操作系統(tǒng)平臺下，基于ZigBee無線網絡的航標遙測終端的開發(fā)。

1 ZigBee無線傳感器網絡
1．1 ZigBee概述
    ZigBee是一個由多到65 000個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節(jié)點間的通信距離可以從標準的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。ZigBee技術基于IEEE 802．15．4標準。ZigBee標準制定了IEEE 802．15．4的物理層、MAC層及數據鏈路層、網絡層、加密層及應用描述層，而且ZigBee聯(lián)盟對其網絡層協(xié)議和API進行了標準化。它的完全協(xié)議對于基本節(jié)點只有4 KB，而作為Hub或路由器的協(xié)調器也只有32 KB。每個協(xié)調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，使這種網絡遠距離傳輸的數據不會被其他節(jié)點獲得?？梢?，利用ZigBee模塊將航標組網，可以形成一個相互連接的航標網絡，實現(xiàn)航標狀態(tài)信息的遙測。
1．2 ZigBee模塊
    本項目使用的ZigBee模塊是無線龍LBee系列模塊，它是基于IEEE 802．15．4／ZigBee標準生產的，兼具短、中、長距離的無線ZigBee網絡低功耗模塊。模塊工作在2．4 GHz的ISM頻段。本項目選用長距離的無線ZigBee網絡低功耗模塊，型號為CC2430-F128，室外可視的最遠通信距離可達2 000 m。對于廈金航線的航標之間的距離最遠是1 400 m左右，因此選用該模塊可滿足通信距離的要求。
    LBee系列模塊采用的協(xié)議為ZigBee 2006，支持網狀、星狀、串狀等多種網絡拓撲。LBee系列模塊集成了所有的射頻組件，并已實現(xiàn)軟件升級、參數設置。模塊采用標準的AT指令接口，支持AT指令集，其AT指令的通用幀格式如圖1所示。圖中，幀頭為FEH；控制命令中COMD0，COMD1分別表示控制命令中的低字節(jié)和高字節(jié)；檢驗位是從控制命令到數據的每個字節(jié)的異或后所得的值。標志／狀態(tài)和有效數據長度對不同的幀是不一樣的，例如在發(fā)送數據的幀格式中，標志／狀態(tài)為一個字節(jié)，而在設置節(jié)點的通道、PANID、設備類型的幀格式中，標志／狀態(tài)位為2個字節(jié)，而有效數據長度變成了目的地址，且為2個字節(jié)，詳細的幀格式請參見文獻。這樣基于ZigBee技術的航標遙測終端的開發(fā)，需要做的工作就是連接電源、串口及I／O口。ZigBee模塊可以通過AT指令集來實現(xiàn)通信距離、信道、網絡參數、低功耗參數(工作模式)的設定以及收發(fā)數據包，并可通過編程來實現(xiàn)I／O控制、A／D采集、PWM輸出、定位等功能。

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2 終端的硬件組成
    根據功能要求，設計的航標遙測終端組成框圖如圖2所示，主要由處理器模塊、ZigBee／CDMA通信模塊、GPS定位模塊、航標燈數據采集模塊及供電系統(tǒng)組成。

    處理器模塊是以S3C2410 32 b RISC ARM9處理器為中心，主要由時鐘／復位單元、存儲系統(tǒng)、調試接口等組成。它是整個終端的核心，負責整個終端系統(tǒng)的管理、控制運行、數據采集以及通信協(xié)議的解析和數據處理。S3C2410微處理器具有3個串口，即UART0，UART1，UART2，通過合理分配串口，并設計控制電路，對不足的串口資源進行復用，使其滿足應用需求。ZigBee／CDMA通信模塊的作用是負責終端和控制中心之間的遠程雙向無線數據傳輸。GPS定位模塊用于實現(xiàn)終端的定位，使終端可以實時監(jiān)視浮標是否產生漂移。由于目前的航標燈均自帶有數據采集模塊，并通過RS 485輸出數據。因此，終端通過發(fā)送采集指令給航標燈，航標燈數據就會自動傳輸給終端，即只需要利用一個RS 485到RS 232轉換器就可實現(xiàn)對航標燈數據的采集。處理器與外圍通信模塊的通訊是通過串口連接，處理器可以通過AT指令對通信模塊進行操作和控制，從而實現(xiàn)ZigBee／CDMA網絡的無線接入，并與控制中心建立通信鏈路，以提供遠程數據雙向傳輸的通道。通過以太網控制器芯片DM9000擴展一個網口，以滿足運用，同時方便調試開發(fā)的功能。由于輸入是12 V，而不同的模塊所需的電壓不一樣，所以要進行電壓的轉換，即供電系統(tǒng)部分。由于采用了ARM9嵌入式系統(tǒng)和模塊化設計，使系統(tǒng)硬件的外圍電路相對簡單，因此具體電路本文將不介紹。

3 終端軟件設計
3．1 多線程設計
    終端軟件是在Linux 2．4．18操作系統(tǒng)內核上采用多線程開發(fā)的。與進程相比，線程很小，創(chuàng)建一個線程可以使用相對較少的CPU時間，提高了CPU并行處理的能力。因此，多線程編程與多進程編程相比，在性能和通信等方面都有顯著的優(yōu)勢，所以終端軟件的開發(fā)采用單個進程多線程的編程方式實現(xiàn)。
    在整個終端軟件系統(tǒng)中，創(chuàng)建了五個線程：主線程、通信線程、遙測遙控線程、協(xié)議處理線程及定時處理線程。主線程是進程對應的線程，是整個軟件的控制線程，它控制其他線程的工作，具體包括創(chuàng)建管道、打開驅動、建立線程及安裝觸發(fā)線程的信號等功能；通信線程負責終端通信方式的選擇、通信模塊的驅動及收發(fā)數據等工作；遙測遙控線程主要負責航標數據采集、GPS數據采集、遙測數據的上傳及遙控命令的執(zhí)行；協(xié)議處理線程根據通信協(xié)議對數據進行變換、格式轉換、打包和解包；定時處理線程主要完成周期性的控制，包括定時數據上傳、定時故障和異常判斷與報警、定時休眠、重新啟動等。
    由于整個終端需要處理的任務較多，下面僅介紹幾個關鍵功能模塊的設計。[!--empirenews.page--]
3．2 通信功能模塊設計
    終端的通信具有ZigBee，CDMA兩種通信方式，由通信處理線程實現(xiàn)。具體完成ZigBee，CDMA模塊的初始化、數據發(fā)送與接收、智能切換通信方式以及模塊工作狀態(tài)的監(jiān)測等功能。
    通信線程的處理機制是利用信號的異步通知機制，通過安裝信號處理函數，當某一通信方式出現(xiàn)異常時就發(fā)送信號并攜帶相關的信息，從而觸發(fā)信號處理函數進入中斷處理異常信息，并根據信息來選擇重建當前通信或建立另一種通信方式或重啟系統(tǒng)。在此主要介紹雙模通信中的ZigBee通信方式。
    當選擇ZigBee通信方式時，必須對ZigBee進行初始化，其初始化流程圖如圖3所示。

    部分初始化程序如下：

    fd表示的是連接ZigBee／CDMA與ARM的串口的文件句柄；sendPort相當于UNIX中的write()函數，即將Send_buf中的數據寫入到串口。
    因為在終端中用的ZigBee通信模塊有其固定的幀格式，所以需要將采集到的數據進行打包，然后才能傳輸，利用一個函數send_prepare(int mode，unsignedchar send_buf[512]，int length)實現(xiàn)數據的打包。其中，mode表示的是ZigBee和CDMA中的一種模式；send_buf[]表示需要發(fā)送的有效數據，此函數的主要功能是將有效數據加入到ZigBee和CDMA能識別的幀格式中。然后調用發(fā)送函數sendPort(fd_com，send _buf)將數據通過ZigBee或CDMA發(fā)送到控制中心。當數據發(fā)送到控制中心，控制中心模塊會給終端一個應答。通過對此幀的解析，可以看出發(fā)送是否成功。例如，在ZigBee通信方式中，狀態(tài)／標志位為00時表示發(fā)送成功，否則表示發(fā)送失敗。
3．3 遙測遙控功能模塊設計
3．3．1 遙測功能模塊
    遙測包括數據采集與數據傳輸兩部分。數據采集包括航標燈數據和GPS數據的采集。航標燈是一種請求-應答式的設備，要采集航標燈數據就必須通過處理器或是控制中心發(fā)送采集命令。在終端上采用定時的方式，當設置時間到時，終端就會自動發(fā)送遙測命令給航標燈，當航標燈收到數據并通過CRC檢驗后，航標燈將其實時的數據發(fā)送給處理器，然后通過通信模塊發(fā)送到控制中心。GPS數據是通過讀取GPS-OEM板自動輸出的NMEA-0183格式數據獲得的，在程序中采用中斷方式接收，每1 s接收一次數據。GPS和航標燈數據采集流程圖如圖4，圖5所示。

    當采用ZigBee通信方式時，由于ZigBee模塊發(fā)送數據的最大長度為63個字節(jié)，所以將終端發(fā)給服務器的有效數據分為兩幀發(fā)送，在兩幀之間加上一個標志0x21，有助于服務器端解析終端數據。[!--empirenews.page--]
3．3．2 遙控功能模塊
    此模塊主要負責對控制中心發(fā)來的命令進行解析，并對其做出相應的處理?？刂浦行牡臄祿ㄟ^通信模塊發(fā)送給終端之后，在協(xié)議處理線程中進行控制命令的解析。當數據校驗正確后,終端根據命令進行處理并返回一個遙控成功的信息。遙控命令主要包括輪巡時間間隔設置、跟蹤時間間隔設置、報警時間間隔設置、遙控航標燈、終端重啟等，其具體流程圖如圖6所示。

4 調試結果與結論
    根據上述軟硬件設計和調試結果表明，該終端能實現(xiàn)航標燈數據和GPS數據的采集；能正確、穩(wěn)定地以ZigBee或者CDMA通信方式實現(xiàn)與服務器之間的數據傳輸，并且雙模通信模塊能自動進行切換；能通過遙控命令對終端進行設置，對航標燈進行遙控；并且可以穩(wěn)定的運行。由此可見，在S3C2410處理器和ARM-Linux操作系統(tǒng)平臺下，采用基于ZigBee無線網絡的航標遙測終端開發(fā)，可以方便地實現(xiàn)航標遙測終端功能；采用雙模通信，可以克服其中一種斷線時數據丟失的缺陷。當然，由于ZigBee模塊本身的通信距離有限，當航標間距較遠時，需要通過增加功率放大器來增大其通信距離，以滿足航標間距較遠的應用場景。