【正文】 gBee 模塊軟件流程 按順序完成初始化協議棧、無線網絡能量檢測、選擇合適的信道和啟動協調器 .此后即可允許溫度監(jiān)測節(jié)點與其連接 ,接收它們傳輸的各節(jié)點的溫度值 ,在人機界面上顯示各溫度監(jiān)測點數據 ,并繪制溫度曲線 .同時 ,將各監(jiān)測點的數據存入數據庫以備查詢 . 數據集中器 ZigBee 無線通信模塊設計分布式溫度監(jiān)控系統采用星形拓撲結構 ,只涉及單一的 ZigBee 無線網絡 ,只需要 1 臺網絡協調器 ,因此在軟件設計中不需要網絡層 ,直接將無線 數據收發(fā)程序建立在 MAC 層上即可 .數據集中器作為 ZigBee 網絡的協調器 ,在溫度監(jiān)測系統中應先于溫度監(jiān)控節(jié)點工作 .上電后首先初始化協議棧 ,然后進行能量檢測 ,選擇合適的信道 ,啟動無線通信模塊建立 ZigBee 網絡 .此后 ,即可允許溫度監(jiān)控節(jié)點與其連接 ,接收它們傳輸的各節(jié)點的溫度值 .其軟件流程如圖 52所示 . 圖 52 數據集中器 ZigBee模塊軟件流程 Figure 52. Data central ZigBee module software flow chart 溫度測量節(jié)點使用片內集成溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可工作的溫度范 24 圍為一 40120℃，典型靈敏度為 記 C，典型工作電流為 300 讓 A。當需要進行溫度采集時，把片內 ADC 的轉換通道設置為片內溫度傳感器并啟動轉換，不用時關閉即可，達到省電目的。此種方法比外接高阻值熱敏電阻溫度傳感器效果還要好，因為外接的熱敏電阻溫度傳感器，其上電流的消耗是始終都有的。溫度節(jié)點的電流消耗估算如下 :片內溫度傳感器工作時消耗電流為 300uA。 ADC工作在分頻后的 4MHZ 時鐘下，消耗的電流為 100uA，當配置為 12位精度時，一次轉 換需 256 個周期，轉換時間為 : Tconv= (256+16) *==68us 所以采樣一次溫度消耗的電能為 : (300uA+900uA)*68us==*10mAH RF部分工作在接收模式消耗電流為 27mA，工作在發(fā)送模式消耗電流為 。PHY層數據包最大長度為 127字節(jié)，一次通信過程包括數據的發(fā)送和接收應答幀，由于一個溫度數據數據量很小，一次就可發(fā)送完畢，不需要多次發(fā)送。按照 通信速率 千字符 /秒，一次通信的所需的時間為最多為 : 127/62500=2(ms) 一次通信消耗的電能為 : *2ms+27mA*2ms= CC243O 在犯 MHZ 時鐘下全速運行，其內核 (不包括盯部分、各種集成的外圍設備 )消耗電流為 6700 叭。工作在 PMZ 節(jié)能模式，消耗電流為 認。則在一個周期其消耗的電能為 : *9996ms+6700uA*4ms=*105mAH Sleep Timer 工作電流為 認，在 105 基本工作周期內其有效工作時間為 : 10s4ms=9996ms 消耗的電能為 : *9996ms=*106mAH 總計，在一個基本工作周期即 10 秒鐘內，電能的消耗 : E=*108mAH+*105mAH+*l06mAH+*106mAH =*10 5mAH 一天內的電能消耗為 : 24**105m AH=*104mAH 拿一只 l00mAH 的電池來說，可支持這樣一個節(jié)點工作 : 100mAH/=104116 天 104116 天，這個數字這遠遠超過電池本身使用壽命。當然，上述計算只是理論上的，考 慮到電池漏電、信道訪問沖突時引起的數據重發(fā)等因素，實際使用時間會短一些，但也能保證將更換電池的時間控制再可以接受的范圍內。 數據集中器是 ZigBee 協調器，它上電后，首先初始化協議棧，然后依下圖 a 傳 25 輸。溫度檢測節(jié)點上電后首先進行信道掃描然后依下圖 b傳輸。軟件流程圖如圖17 圖 53 軟件流程圖 Figure 53. Software flow chart TIMAC 協議棧提供了 庫文件用以實現 MAC 層底層管理據收發(fā)。還提供了一些 API 函數來簡化分配、回 收信息緩沖區(qū)、發(fā)送信息、信入隊列、出隊列等操作。表 5列出了其中的一部分函數及其說明。很多函數參數結構體指針，往往有多個成員項。只有熟悉 ZigBee 通信協議，正確合理的調功能函數，傳入合適的參數才能實現相應的功能。軟件的設計就復雜在這一步。些基本功能函數為依托，構造適合分布式溫度測量系統的上層應用程序代碼即下面一個數據結構是 macMcPsDataReq_t 結構體的定義 : Type define strict { Mac Event Harsh dry: /*internal use only*/ SData— t made: /*Data Pointer and length*/ MacTxlntData _t internal。 /*internal use only*/ 26 Misact sec: /*Security Parameters*/ MacDataReq_t Mac。 /*DatarequestParaJeters*/ } Mac Maps Data Red _it。 溫度監(jiān)控軟件模塊 溫度監(jiān)控軟件在 Visual Studio 2021 軟件開發(fā)平臺下利用 C語言開發(fā)完成 ,包含 ZigBee 網絡初始化、各監(jiān)測點溫度采集與顯示、溫度曲線顯示、系統參數設置、溫度數據存儲和查詢等功能 .溫度監(jiān)控軟件模塊組成如圖 54 所示 .在系統上電后 ,ZigBee 網絡初始化軟件模塊首先開始工作 , 圖 54 溫度監(jiān)控軟件模塊組成 Figure 54. Temperature monitoring software module constitute 27 6 總結與展望 本文講述了基于 ZigBee 技術的井下長距離無線通訊系統的設計。實驗結果表明，利用 ZigBee 技術來實現井下無線通訊是完全可能的，并成功地實現了井下無線通訊的設想。在實驗過程中，為了進一步擴大系統的功用，在語音通信的同時，系統增加了采集、傳輸多個傳感器的實測數據這一功能。實驗表明，兩者完全可以通信而互不影響。當然，實驗系統還存在有一些不足之處。例如：系統帶網能力還需加大，以便使傳輸距離更一步增大。性能的增強還需進一步研究和更多的實驗測試。 為了順應現代先進制造技術向網絡化、信息化、虛擬化 、智能化方向發(fā)展的趨勢，在多項科研項目的支持下，本論文中，概括介紹了 ZigBee 技術的概念、特點、體系結構、國內外技術發(fā)展狀況等相關內容，在此基礎上，引出了目前正逐步走向成熟并備受關注的 ZigBee 技術。全面深入地對 ZigBee 技術做了研究分析，重點對協議體系結構、 ZigBee 技術與其他無線通信技術比較、以及干擾抑制技術進行深入分析，從 ZigBee 技術的同步算法、 ZigBee 無線通信干擾抑制技術等關鍵點上進行突破，并以 ，結合CC2430ZigBee 開發(fā)套件，對 無線溫度采集 通信 系統 項目進行實現。研究所做的工作具體總結如下： （ 1） .做相關應用背景的研究，做出技術可行性分析，制定工作計劃，制定出系統整體方案針對網絡拓撲結構、協議體系結構以及干擾抑制技術進行深入分析，并與其它無線通信技術進行比較及對其相互干擾進行研究。 （ 2） .對 ZigBee 節(jié)點時鐘同步算法工作原理做了詳細的研究，總結了這些算法的優(yōu)缺點，在對比現有的幾種時鐘同步算法的基礎上，對泛洪時間同步協議多跳時鐘同步算法提出了自己的改進思路。 （ 3） .完成 無線溫度采集 通信系統的具體軟硬件選型，并給出了通信部分硬件 原理圖及軟件流程的關鍵部分，在制 PCB 板中電磁兼容問題的解決進行了詳細描述，最后通過實際通信測試，達到系統性能指標。 ZigBee 技術涉及多學科交叉的研究領域，本文所作的設計由于時間及本人水平的限制，加上對 ZigBee 新技術了解不夠深刻，因此必然很多的不足之處，有非常多的關鍵技術有待進一步研究和發(fā)現，主要包括以下幾個方面：網絡拓撲、路由控制、能量問題、數據融合、網絡安全等。今后繼續(xù)研究下去的思路是： 1） 網絡拓撲 網絡拓撲控制對于無線的 ZigBee 技術而言非常重要?，F實項目中，我們往往忽略拓撲的分析， 通過拓撲控制能夠提高 MAC 協議和路由協議的效率，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網絡的生存期。網絡拓撲控制主要研究的問題是通過功率 28 控制和骨干網節(jié)點選擇，消除節(jié)點間冗余的無線通信鏈路，進而產生一個高效的數據轉發(fā)的網絡拓撲結構 [16]。本項目在組網方面只做了星型網絡的研究，今后要在對等拓撲網絡組網方面進行研究，以便能夠構成較為復雜的網絡結構，達到遠距離多節(jié)點、經過路由完 42 網絡應用。 2） 路由控制 傳統 Inter 是通過 TCP/IP 協議實現。但是在 ZigBee 網絡中，不能使用IP。因為在 ZigBee 網絡中 ，常常要用到成千上萬的節(jié)點， IP 中的路由一般是基于固定的地理位置信息的，原因是對于不斷變換拓撲結構的 ZigBee 網絡來說，要維持路由表需要耗費大量的時間和資源。傳統的距離向量和鏈路狀態(tài)路由協議不適用于 ZigBee 網絡，理想的 ZigBee 網絡的路由協議應該具有以下性能 [17]：分布式運行、無環(huán)路、支持單向鏈路、考慮安全性、按需運行、高效地利用能量和維護多條路由，所以 ZigBee 網絡需要有一套適合自己的控制和路由協議。 3） 能量問題 很多情況下，項目的能量問題都是系統考慮的重點， ZigBee 網絡中的節(jié)點都是由電池供電，而電池容量非常有限且不可再生，并且對于有成千上萬節(jié)點的ZigBee 網絡來說，更換電池非常困難，但是卻要求網絡生存時間長達幾年甚至數年。如果網絡中的節(jié)點因為能量耗盡而不能工作，則會帶來網絡拓撲結果的改變以及路由的重新建立，甚至造成通信的中斷。所以，在 ZigBee 網絡的電池能量設計中 [18]，既不能影響系統功能，又要盡可能地節(jié)約能量。在功能上， ZigBee網絡設計應考慮兩點原則：第一，減少不必要的功能、延長網絡工作時間以及突出的專用性。第二，可以設計專門的提高網絡能量效率的協議以及采用專門的技術 ，例如物理層可以采用超寬帶無線通信技術， MAC 層可以采用適合節(jié)點在休眠和工作狀態(tài)間切換的接入協議，網絡層可以以能量作為路由度量等。此外，還可以采用跨層設計的方式，提高網絡的能量效率。另外，我們可以考慮利用可再生能源給 ZigBee 網絡供電，如太陽能、風能、生物能等。 4） 數據融合 由于 ZigBee 網絡存在能量的約束，所以在從各個節(jié)點收集數據的過程中，可以利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數據的融合，去除冗余信息，進而達到節(jié)能的目的。由于節(jié)點的易失效性， ZigBee 網絡也需要數據融合技術對多份數據進行綜合 ，提高信息的準確度。數據融合技術可以與 ZigBee 網絡的多個協議層次進行結合。且數據融合技術己經在目標自動識別和目標跟蹤領域得到了廣泛的應用。在 ZigBee 網絡的設計中，只有面向應用需求設計針對性強的數據融合方法，去除冗余的數據信息，才能更加優(yōu)化系統。 5） 網絡安全 29 ZigBee 網絡作為任務型的網絡，不僅要進行傳輸數據，而且要進行數據采集和融合、任務的協同控制。所以怎樣保證任務執(zhí)行的機密性、數據產生的可靠性、數據融合的高效性以及數據傳輸的安全性，就成為 ZigBee 網絡安全問題需要全面考慮的內容。 ZigBee 網絡受到的安全威脅與移動通信網絡所受到的安全威脅不同，所以現有的網絡安全機制不適合此領域，需要開發(fā)針對 ZigBee 網絡的專門協議。一種思路是從維護路由安全的角度，尋找確保網絡的安全。安全路由協議一般采用多路徑路由、身份認證、鏈路層加密和鑒權、雙向連接認證和認證廣播等有效機制，增強路由的安全性，提高網絡抵御信息竊取和外部干擾的能力。另一種思路是把著重點放在安全協議方面主要有兩種方式：密鑰管理：在ZigBee 網絡中有很多限制，因為通信的耗電將大于計算的耗電量，所以在 ZigBee網絡中去除冗余數據，盡量減少通信 [19]。安全組播： ZigBee 網絡為了防止信息提供者向網絡注入偽造信息，需要在 ZigBee 網絡中利用基于源端認證的安全組播。本文沒有考慮在其他節(jié)點非法侵入和破壞信息的情況，今后將在數據傳輸的安全方面還要做一定的研究。由于 ZigBee 工作在 的免費頻段上，在這個頻段上有很多種的無線通信技術，所以網絡會受到很大的干擾，今后 EMC上進行更深入的研究，要在硬件和軟件上多做些抗干擾措施。另外，由于目前僅處于起步階段，著重考慮的是可行性，因此整個系統采用了模塊化設計和搭建的思想，將不同的模塊通過串口連接。如果 要實際應用，則需要將各模塊集成在一起，不僅能減少體積，而且能提高系統的可靠性。 30 參考文獻 [1]蔣挺，趙成 .ZigBee 紫峰技術及其應用 [M].北京郵電大學出版 .2021. [2] 昂志敏