基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台的制作方法

专利名称：基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，属于无线网络通 信技术领域。
背景技术：
先进的无线工业测控网络综合了传感器技术、嵌入式系统技术、分布式信息处理 技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对 象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户， 是当前理论与技术的热点研究热点之一，有着广阔的技术应用前景。 但是现在国内的工业测控网络技术离上述目标还有较大差距，仍然采用有线测控 网。许多大型企业，例如石油化工企业、煤矿企业，生产地域分散，业务分工复杂；生产环境 恶劣，甚至气体污染、易燃易爆十分危险等，这些环境采用无线通信方式才是解决问题的优 化方案。这样，可以使得控制中心的安装、维护、管理更为简单，生产控制系统更为稳定，从 而达到提高石油化工产品的生产效率和安全性。 有线测控网络存在许多无法避免的问题综合布线施工复杂，随着平台数量的增 加，线路数量相应增加。在密集安装场合，数百条线路错综复杂，设备数量多也会造成线路 过长。尤其在空间资源紧张的环境，在已经放置大量设备(如照明，通风，空调等)的情况 下，合理的布线更加困难。在布线过程中，还要考虑设备对线路产生的电磁干扰等因素，更 加增加了布线施工的困难。成本高，使用寿命短。大量的导线造成较大的成本开支。在有 些场合，由于环境恶劣，导线的使用寿命短，需要频繁更换，又增加了成本。灵活性差，如果 终端位置调整，就需要调整线路甚至重新布线。安全性差，一是如果传输的数据需要保密， 则有些网络容易被窃取。二是在无人职守的场合，有些线路极易被盗割。
由于存在这些问题，使用无线测控网络代替有线测控网络代表了发展趋势。使用 无线测控网络将极大提高信息系统的灵活性，可维护性，可扩展性和安全性，降低复杂度和 成本。多功能无线测控网络代表了测控领域的发展趋势。用户希望集成更多的信息的采集 功能，扩展系统的应用范围。而且希望信息的传输速率更高，而使用成本更低。
ZigBee无线网络通信技术是新兴的低复杂度、低成本、低功耗和低速率无线连接 技术，其基础是IEEE802. 15. 4技术标准。Zigbee技术的应用首先是传感器网络，该技术的 各项特点十分符合传感器网络的应用。2000年12月IEEE成立了 IEEE802. 15. 4工作组， 专门负责制定物理层及MAC层的协议，2001年8月ZigBee联盟成立。该联盟主要负责制 定网络层到应用层的上层协议。在未来的数年内，ZigBee技术将从方方面面进入人们的生 活、工作领域。在诸多无线通信技术中，Zigbee技术出现最晚，却以其独特的优势迅速斩露 头脚，在全球掀起了理论和应用研究的热潮。目前，德州仪器，摩托罗拉，西门子，飞利浦等 大的厂商陆续推出了自己的Zigbee芯片，更加推动了 Zigbee技术的产业化进程。
因此采用Zigbee无线网络通信技术来实现无线测控网络，是一个理想选择，是符 合测控系统发展趋势的创新性产品。由于Zigbee技术出现的较晚，将Zigbee技术用于无线测控网络还处于研究试验阶段。而且，现有的Zigbee标准对网络结构动态变化的分布式 应用场合存在不足，容易出现节点丢失，路由失败等问题，即可重构性差。从而影响无线测 控网络的可靠性。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于Zigbee技术的可重构无线测控网络 平台。 —种基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，平台包括无线通信模块、控制 器模块、传感器模块、串口通信模块和电源模块，无线通信模块通过8路GPIO接口与控制器 模块连接，通过8路GPIO接口与传感器模块连接，通过UART接口与串口通信模块连接，电 源模块为各模块供电；平台通过路由器和中心协调器与上位机连接。 所述的无线通信模块由CC2430芯片，天线，24脚插针式接口和外围电路组成，其
中CC2430内嵌一个2. 4GHz DSSS射频收发器和一个基于8051单片机的微控制器。 所述的控制器模块是平台硬件系统的输出部分，包括开关量输出接口和中文点阵
液晶显示屏；开关量输出接口通过24脚插针式接口引入CC2430的8路GPIO接口 ，中文点
阵液晶显示屏型号LMS12864串行模式，内建驱动芯片和国际二级字库。 所述的传感器模块具备8路信号输入能力，是通过24脚插针式接口引入CC2430
的8路GPIO接口来实现，传感器模块型号DHT91，占用2路信号输入。 所述的串口通信模块采用Maxim公司的高可靠性的工业级串口芯片，型号 恵232i。 所述的电源模块采用了双电源双电压模式，双电源为开关电源和3节AAA电池电 源；双电压为5V和3. 3V，其中3. 3V电压由Atmel公司的AS1117芯片进行5V到3. 3V电平 转换。 上述基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台的工作方法如下 1)将中心协调器的地址和构成可重构无线测控网络的若干个平台的地址存入上
位机； 2)上位机到控制器模块之间的信息传输与发布 上位机软件提供友好的图形用户界面，用户通过图形用户界面发布控制信息，并 将控制信息通过上位机与中心协调器之间的串口电缆传输到中心协调器，使控制信息进入 无线测控网络，按照需要接收信息的目的平台地址寻找并最终传输到该目的平台，目的平 台将该控制信息通过控制器模块进行发布；
3)传感器到上位机之间的信息传输 平台的传感器模块采集的信息，经平台进入无线测控网络，按照中心协调器的地 址，寻找并最终传输到中心协调器，再通过上位机与中心协调器之间的串口电缆传输到上 位机，上位机通过图形用户界面传递给用户；
4)信息的路由转发 平台对收到的信息进行判断，若该信息的目的地址与本平台地址不一致，则对该 信息进行路由转发到其它平台，直到该信息最终传输到中心协调器而完成路由转发；如果 超过事先设定的最大路由转发次数，则该数据包被丢弃；
5)可重构性的实现 当网络中的平台因为所处测量环境变化而导致其通信路径被阻碍时，需要对网络 结构进行调整，通过可重构Cluster-Tree+AODVjr路由算法和网络层地址分配算法，使多 平台可以组成新的ZigBee网络结构来适应变化的测量环境，调整结构后的网络使通信路 径被阻碍的平台绕过障碍物，重新进行通信，从而提高了网络通信的可靠性，这一过程由平 台软件系统的无线通信程序实现。 本发明与现有技术相比，最大的特点是通过改进路由算法和网络层地址分配算法 实现了分布式，可重构的zigbee无线测控网络。
本发明的优点包括 1、工作于开放频率2. 4GHz，低成本、低功耗、抗干扰的无线数据传输平台。
2、能采集多种类型传感器的数据或发布控制信息在网络中进行无线传输或存储。
3、将ZigBee技术应用到该平台中，提高平台的组网能力，网络的容错性和鲁棒 性。 4、若干平台组成一个分布式，可重构的无线测控网络，为无线测控网络应用的高 可靠性奠定基础。


图1为本发明平台的结构框图。 图2为若干平台组成的无线测控网络的示意图。 图3为本发明平台的软件流程图。 图4为本发明无线测控网络树型网络可重构组网策略示意图。 图5为本发明无线测控网络星型网络可重构组网策略示意图。 其中，l-l、无线通信模块，1-2、串口通信模块，l-3、控制器模块，l-4、传感器模块，
l-5、电源模块；2-l、中心协调器，2-2、路由器，2-3、终端节点；3-l、RN存储能力，3-2、平台
编号，4-l、RN存储能力，4-2、平台编号。
具体实施方式

实施例 —种基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，结构如图l所示，包括无线 通信模块(l-l)、控制器模块(l-3)、传感器模块(l-4)、串口通信模块(1-2)和电源模块 (l-5)，无线通信模块(1-1)通过8路GPI0接口与控制器模块(1-3)连接，通过8路GPI0 接口与传感器模块(1-4)连接，通过UART接口与串口通信模块(1-2)连接，电源模块(1-5) 为各模块供电；平台通过路由器和中心协调器(2-1)与上位机连接。 所述的无线通信模块由CC2430芯片，天线，24脚插针式接口和外围电路组成，其
中CC2430内嵌一个2. 4GHz DSSS射频收发器和一个基于8051单片机的微控制器。 所述的控制器模块是平台硬件系统的输出部分，包括开关量输出接口和中文点阵
液晶显示屏；开关量输出接口通过24脚插针式接口引入CC2430的8路GPIO接口 ，中文点
阵液晶显示屏型号LMS12864串行模式，内建驱动芯片和国际二级字库。 所述的传感器模块具备8路信号输入能力，是通过24脚插针式接口引入CC2430的8路GPIO接口来实现，传感器模块型号DHT91，占用2路信号输入。 所述的串口通信模块采用Maxim公司的高可靠性的工业级串口芯片，型号 恵232i。 所述的电源模块采用了双电源双电压模式，双电源为开关电源和3节AAA电池电 源；双电压为5V和3. 3V，其中3. 3V电压由Atmel公司的AS1117芯片进行5V到3. 3V电平 转换。 上述基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台的工作方法如下 1)将中心协调器的地址和构成可重构无线测控网络的若干个平台的地址存入上
位机； 2)上位机到控制器模块之间的信息传输与发布 上位机软件提供友好的图形用户界面，用户通过图形用户界面发布控制信息，并 将控制信息通过上位机与中心协调器之间的串口电缆传输到中心协调器，使控制信息进入 无线测控网络，按照需要接收信息的目的平台地址寻找并最终传输到该目的平台，目的平 台将该控制信息通过控制器模块进行发布；
3)传感器到上位机之间的信息传输 平台的传感器模块采集的信息，经平台进入无线测控网络，按照中心协调器的地 址，寻找并最终传输到中心协调器，再通过上位机与中心协调器之间的串口电缆传输到上 位机，上位机通过图形用户界面传递给用户；
4)信息的路由转发 平台对收到的信息进行判断，若该信息的目的地址与本平台地址不一致，则对该 信息进行路由转发到其它平台，直到该信息最终传输到中心协调器而完成路由转发；如果 超过事先设定的最大路由转发次数，则该数据包被丢弃；
5)可重构性的实现 当网络中的平台因为所处测量环境变化而导致其通信路径被阻碍时，需要对网络 结构进行调整，通过可重构Cluster-Tree+AODVjr路由算法和网络层地址分配算法，使多 平台可以组成新的ZigBee网络结构来适应变化的测量环境，调整结构后的网络能够使通 信路径被阻碍的平台绕过障碍物，重新进行通信，从而提高了网络通信的可靠性。这一过程 由平台软件系统的无线通信程序实现。
平台软件系统 软件系统包括主控程序、控制器程序、传感器程序、无线通信程序和串口通信程 序。 主控程序 主控模块的主要作用是完成硬件和软件系统各个部分的初始化，各种参数的设 置，平台的组网/入网准备。其中初始化部分包括芯片程序的初始化，LCD屏的初始化，传 感器芯片的初始化等，当完成以上各个部分的初始化程序后，主控模块就会根据平台类别 进行相应的组网/入网操作，并最终进入轮询等待状态。
控制器程序 控制器程序将收到的控制信息进行解封装和译码，然后根据译码结果判断通过哪 一路控制器模块接口发布控制信息，发布哪一种开关量控制信息。由于平台集成LCD液晶
7显示屏，则如果收到的是LCD屏幕显示信息，就调用LCD显示子程序将数据进行显示，子程序则会调用相应的函数将用户要求发布的命令信息写入LCD屏中将其显示。
传感器程序 传感器程序实现DHT91温湿度传感器的驱动、温湿度数据的计算和数值转换。传感器程序调用DHT91驱动程序实现从DHT91经过2路串行GPIO接口读入数字温湿度数据，并可以进行测量精度设定，测量校准等操作。传感器程序通过计算和数值转换将12bit精度的湿度数据和14bit精度的温度数据转换为十进制数据。传感器程序有三种工作机制受命测量，定时测量和门限测量。受命测量即主控程序在收到上位机发出的测量命令时才进行相应的数据采集，并传回给上位机。定时测量是预先设定一个测量周期，按测量周期采集传感器信息并发送给上位机。采用门限测量时，当温度或湿度达到预先设定的某个门限时，会产生报警信号，程序采用中断方式，将报警信号和温湿度数据发出。
无线通信程序 无线通信程序是平台实现基于Zigbee技术组成无线测控网络的关键。无线通信程序实现Zigbee网络的维护，数据发送和数据接收。 分布式和可重构性是本发明的主要创新点。分布式可重构ZigBee网络，是指分布
在一定区域的网络结构可以动态变化的网络。所谓网络结构动态变化有两个方面的含义，
一种情况是指已经形成的网络拓扑结构不发生变化，但是某些平台的平台身份或者是网络
深度发生了变化；另一种情况是指已经形成的网络拓扑结构已经发生变化。 本发明在平台软件系统的无线通信程序中，实现了可重构AODVjr路由算法和可
重构网络层地址分配算法，从而使多平台可以组成分布式可重构的ZigBee网络。 可重构AODVjr路由算法 在ZigBee技术中，Cluster-Tree算法非常适合那些存储能力受限的平台，在这种算法中平台收到一个分组后立刻将分组发送给它的父平台或者子平台，不需要路由发现过程，然而在平台分布不均匀的网络中，Cluster-Tree算法具有较大的平均端到端时延，而且在这种情况下容易造成网络中业务量分布不均衡，从而必然导致深度较低的平台往往需要处理比深度较高的平台更多的分组，容易造成深度较低平台比深度较高平台过早地耗尽电量，形成网络分割现象，导致通信中断。AODVjr的算法可以找到最优或相对于Cluster-Tree较优的路由，减少了平均端到端时延，使网络中业务量分布不均衡的情况也得到了缓解。但A OD V j r需要足够的存储空间来储存路由表，而且A OD V j r具有较高的控制开销，Cluster-Tree则不需要发送控制分组。可重构ZigBee网络中的路由协议使用了 Cluster-Tree+AODVjr的算法，对两种协议进行优势互补，以便找到最优或相对于Cluster-Tree较优的路由，减少了平均端到端时延，使网络中业务量分布不均衡的情况也得到了缓解。 可重构网络层地址分配 在ZigBee路由中，可以将平台分为两类RN+和RN-。其中RN+是指具有足够的存储空间和能力执行AODVjr路由协议的平台，RN-是指其存储空间受限，不具有执行AODVjr路由协议的能力的平台，RN-收到一个分组后只能用Cluster-Tree算法处理。为了更好的适应变化的测量环境而进行可重构组网，在可重构网络中全部使用RN+平台。
加入ZigBee网络的平台通过MAC层提供的关联过程组成 一 棵逻辑树(Cluster-Tree)，并按照Cluster-Tree结构分配网络地址。当网络中的平台允许一个新平台通过它加入网络时，它们之间就形成了父子关系，每个进入网络的平台都会得到父平台为其分配的一个在网络中唯一的16bit网络地址。在可重构网络中，将星型网络作为Cluster-Tree结构的一种特殊情况(深度为2)处理为平台分配网络地址。
可重构性的具体实现 网络的可重构性主要体现在网络中的平台所处环境发生变化时。当网络中的平台因为所处测量环境变化而导致其通信路径被阻碍时，需要对网络结构进行调整，通过变构后的新的网络结构使被挡平台能够绕过障碍物，重新进行通信。本文中，平台被障碍物阻挡的情况均以两点之间的通信路径不能建立表示；平台绕过障碍物阻碍则以两个平台之间的通信路径重新建立表示，所谓穿透性指的是穿越障碍物的能力。 图4(a)中，当一个Cluster-Tree结构的网络组网完成后，由于周围测量环境的变化，导致平台7与平台3之间的通信路径被障碍物阻碍，使得平台7脱离整个网络，不能将其检测数据向上一层平台传送。此时平台7将进行网络结构重组，首先通过网络地址分配原则计算与其深度与父平台均相同的平台(平台6)的网络地址。然后运用AODVjr路由算法寻找该平台，如果找到则将平台7作为平台6的子平台重新加入网络，重新分配网络地址，一旦平台6与平台7之间建立通信链路则认为完成一次网络重构。若在被阻挡平台(平台5)周围没有找到深度与父平台均相同的平台，则平台将会通过网络地址分配原则计算与其深度相同而父平台不同的平台(平台4)的网络地址。然后运用AODVjr路由算法寻找该平台，如果找到则将平台5作为平台4的子平台重新加入网络，重新分配网络地址，一旦平台4与平台5之间建立通信链路则认为完成一次网络重构。重构后的网络虽然拓扑结构还是Cluster-Tree结构，但是已经从之前的深度为4的网络变为深度为5的网络(如图4(b))，平台7的父平台也已经从平台3变为平台6，平台5的父平台也已经从平台2变为平台4。 可重构网络中，将星型网络作为深度为2的一种特殊Cluster-Tree结构。图5 (a)中，当一个星型网络中的平台(平台4)与协调者(中心协调器)平台之间的通信被障碍物阻挡之后，平台4则启动A0DVjr路由算法寻找其他平台(平台5)，若找到则将平台4作为平台5的子平台重新加入网络，一旦平台4与平台5之间建立通信链路则认为完成一次网络重构。重构后的网络(如图5(c))拓扑结构则由星型网络变为树形网络。
串口通信模块 串口通信模块是Zigbee网络与上位机的接口 ，上位机生成的封装好的命令信息以及平台平台采集上来的数据信息都要通过串口通信模块完成在两个网络中的通信。串口通信模块中使用中断法，即运用的串口中断服务子程序(ISR， Interrupt ServiceRoutine)来完成串口通信，当串口上有值的时候，则会调用串口中断向量，中断向量则把程序指针指到相应的ISR中去。对接收到的数据的操作在ISR中进行，ISR完成之后程序指针会跳回中断前的地方继续进行刚才被中断的事情，这种方法的效率比较的高，而且程序不需要一直等待串口，提高了整个无线平台系统的实时性。
上位机软件 上位机软件采用Visual C++编写，其主要作用是为用户提供良好的人机界面，完成对采集/上传数据的处理和对整个平台系统的控制。
用户使用上位机时，首先需要进行串口设置。本系统上位机串口的默认设置为波特率38400，无校验位，8位数据位，1位停止位。具体的串口选择根据用户计算机的具体情况自由选择。串口设置完成后，则需要进行系统设置。主要是完成平台平台媒体访问控制层(MAC, Medium Access Comtrol)地址与放置地址信息的设置。点击"addnodeaddr"按钮，将会弹出系统设置子对话框，用户将平台平台的MAC地址与放置地址的信息填入对话框后，点击确认按钮则完成整个系统的设置。 用户需要进行控制信息发布时，首先需要选择需要发布信息的平台，然后在信息发布文本框中填入需要发布的信息，输入后点击"send message"按钮即可完成整个平台系统的信息发布功能。用户需要实时的了解现场信息时，首先需要选择需要采集信息的平台，然后点击"monitor"按钮，则可以完成平台的数据采集，采集到的数据将显示在平台后相应的数据文本框中。户需要查看以前传感器的测量数据时，点击"data record"按钮，就可以查看平台的传感器的测量历史数据记录。
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权利要求
一种基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，其特征在于，平台包括无线通信模块、控制器模块、传感器模块、串口通信模块和电源模块，无线通信模块通过8路GPIO接口与控制器模块连接，通过8路GPIO接口与传感器模块连接，通过UART接口与串口通信模块连接，电源模块为各模块供电；平台通过路由器和中心协调器与上位机连接。
2. 如权利要求1所述的基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，其特征在于，所 述的无线通信模块由CC2430芯片，天线，24脚插针式接口和外围电路组成，其中CC2430内 嵌一个2. 4GHz DSSS射频收发器和一个基于8051单片机的微控制器。
3. 如权利要求1所述的基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，其特征在于， 所述的控制器模块是平台硬件系统的输出部分，包括开关量输出接口和中文点阵液晶显示 屏；开关量输出接口通过24脚插针式接口引入CC2430的8路GPIO接口 ，中文点阵液晶显 示屏型号LMS12864串行模式，内建驱动芯片和国际二级字库。
4. 如权利要求1所述的基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，其特征在于，所 述的传感器模块具备8路信号输入能力，是通过24脚插针式接口引入CC2430的8路GPIO 接口来实现，传感器模块型号DHT91，占用2路信号输入。
5. 如权利要求1所述的基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，其特征在于，所 述的串口通信模块采用Maxim公司的高可靠性的工业级串口芯片，型号MAX232i。
6. 如权利要求1所述的基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，其特征在于，所 述的电源模块采用了双电源双电压模式，双电源为开关电源和3节AAA电池电源；双电压为 5V和3. 3V，其中3. 3V电压由Atmel公司的AS1117芯片进行5V到3. 3V电平转换。
7. 权利要求l所述的基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台的工作方法，其特征 在于，工作方法如下1) 将中心协调器的地址和构成可重构无线测控网络的若干个平台的地址存入上位机；2) 上位机到控制器模块之间的信息传输与发布上位机软件提供友好的图形用户界面，用户通过图形用户界面发布控制信息，并将控 制信息通过上位机与中心协调器之间的串口电缆传输到中心协调器，使控制信息进入无线 测控网络，按照需要接收信息的目的平台地址寻找并最终传输到该目的平台，目的平台将 该控制信息通过控制器模块进行发布；3) 传感器到上位机之间的信息传输平台的传感器模块采集的信息，经平台进入无线测控网络，按照中心协调器的地址，寻 找并最终传输到中心协调器，再通过上位机与中心协调器之间的串口电缆传输到上位机， 上位机通过图形用户界面传递给用户；4) 信息的路由转发平台对收到的信息进行判断，若该信息的目的地址与本平台地址不一致，则对该信息 进行路由转发到其它平台，直到该信息最终传输到中心协调器而完成路由转发；如果超过 事先设定的最大路由转发次数，则该数据包被丢弃；5) 可重构性的实现当网络中的平台因为所处测量环境变化而导致其通信路径被阻碍时，需要对网络结构 进行调整，通过可重构Cluster-Tree+AODVjr路由算法和网络层地址分配算法，使多平台可以组成新的ZigBee网络结构来适应变化的测量环境，调整结构后的网络使通信路径被 阻碍的平台绕过障碍物，重新进行通信，从而提高了网络通信的可靠性，这一过程由平台软 件系统的无线通信程序实现。
全文摘要
基于Zigbee技术的可重构无线测控网络平台，属于无线网络通信技术领域。平台包括无线通信模块、控制器模块、传感器模块、串口通信模块和电源模块，无线通信模块通过8路GPIO接口与控制器模块连接，通过8路GPIO接口与传感器模块连接，通过UART接口与串口通信模块连接，电源模块为各模块供电；平台通过路由器和中心协调器与上位机连接。本发明与现有技术相比，最大的特点是在软件支持下实现了分布式，可重构的zigbee无线测控网络通信。
文档编号H04W84/18GK101730113SQ20091023005
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者侯萌, 刘星萍, 徐元, 王磊, 邱书波 申请人:山东轻工业学院