文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.040
中文引用格式： 朱磊，董亮，夏穎，等. 基于ZigBee嵌入式雙網路由交換節點的設計[J].電子技術應用，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.
0 引言
隨著微電子技術、云計算、傳感器技術、網絡技術的飛速發展，把無線傳感網技術與石油生產相結合，建立數字化油田，已經成為國內外一些研究機構或科研院所的研究焦點。我國石油儲量豐富，然而與世界上主要產油國家相比，數字化建設水平還有待提高。油田的勘探、鉆井、測井、錄井等野外作業流動性強，點多、分散、距離長，隨著工作面的不斷推進, 通信線路的延伸和維護變得越來越復雜, 一旦通信鏈路發生故障, 整個測控系統就可能癱瘓, 嚴重影響了系統的可靠性。
ZigBee是一種無線網絡協議，可以免費使用2.4 GHz的頻段，并且可以實現在數千個微小的傳感器之間進行相互協調，這些信息通過無線方式發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端[1-3]。油田作業地處偏遠，無線網絡由于節點數量有限只能做為數據采集與傳輸[4，5]，不能將其無限拓展。為解決該問題，本文針對無線傳感網絡與Internet網絡的互聯互通，提出了一種可行性解決方案。
1 ZigBee終端采集節點設計方案
ZigBee終端采集節點硬件電路主要由ZigBee射頻系統電路、信息采集電路等幾個模塊構成，結構如圖1所示。信息采集電路的主要功能是完成將油田作業環境里的傳感器(如溫濕度、光強度、設備電壓電流值、油氣氣壓值等)采集到的電信號轉變為數字電路能夠判斷的數電信號并傳輸給ZigBee控制器；ZigBee射頻系統主要負責把采集到的數據進行轉換、分析并且與其他節點進行通信；電源電路部分是終端節點最需要考慮的部分，考慮到節點的節能、便捷等功能，一般是采用電池供電，節點電源采用三節1.5 V堿性電池組成，以進一步減小體積，提高節點方便程度。為了提高電路板的利用率，將干電池、天線以背板的形式安放。
2 射頻系統電路設計
本文設計的射頻系統在CC2530的基礎上，加上的一個天線功放RFX2401C芯片，使系統的數據收發的精確率、通信范圍得到一定程度的提升。配上一個9dBi的天線，理論上的通信范圍可以到一千多米。這樣的設計可以適合一些復雜的環境（如：野外、采油荒地），增加網絡的可靠性。
TI公司發布的datasheet里給出了CC2530的典型應用圖。本系統的設計是根據典型應用圖設計的，電路原理圖如圖2所示。主時鐘電路中采用一個32 MHz晶振（Y2）和2個22 pF的負載電容（C13、C14），可選時鐘電路以一個32.768 kHz時鐘晶振（Y1）和2個15 pF的負載電容(C3、C4)；天線的輸入/輸出匹配采用巴倫阻抗匹配網絡，只需幾個分立電感和電容（L2、C9、L3、C12）就可實現；天線功放芯片的外圍電路也很少，高頻設備的電源輸入設計需要電容進行濾波，其TXEN和RXEN引腳是發送和接收使能引腳，本設計中校仿CC2591功放接法，分別接P1_4和P1_1；天線使用50 Ω的鞭狀負極性全向天線，本系統的電路中必須對電源進行去耦濾波以獲得更好的性能，在這樣的高頻電路設計中，去耦電容和濾波電感的位置、尺寸和精度對獲得最佳性能是非常關鍵的。
3 通信網絡服務器設計
ZigBee終端節點主要完成發現網絡、加入網絡、數據的采集和發送、接收協調器的控制命令等功能[6，7]，它是整個系統的感知末梢，其功耗問題一直是人們考慮的熱點。由于ZigBee芯片是8051內核，沒有多線程操作，因此在其休眠期間不會處理父節點發送過來的數據信息。將終端節點的傳感器數據采集與節點休眠結合起來，當節點完成數據采集后，立刻將數據發往父節點，待發送成功后該節點采取休眠喚醒機制，進入休眠狀態時切斷部分電源，休眠計時時間到后，則節點進行下一輪的數據采集與發送過程。
終端節點的ZigBee協議棧是通過在main（）中引入OSAL操作系統，然后進入網絡，由ZDO實現終端節點加入網絡的過程，如果加入成功，在應用層會收到ZDO_STATE_CHANGE消息，通過查找消息可以知道網絡的狀態。終端節點軟件框圖如圖3所示。
4 以太網監控平臺設計
為了有效觀察ZigBee遠程采集的數據，采用Java進行了客戶端設計，該客戶端可以實現油田數據的實時采集與信息處理。軟件流程圖如圖4所示。
首先要建立網絡連接，并通過服務器的端口形成一條虛擬的連接。通過這個連接，客戶端根據需要，可以通過向服務器發送請求響應而決定交換數據。然后將要描繪的數據存入txt文本中，調用算法工具進行畫圖，當交換完數據后釋放所占用的端口。上位機界面如圖5所示。
5 結束語
采用無線傳感網絡與Internet相結合的方式設計了具有無線自由組網功能的數據采集與傳輸系統。該系統充分發揮Internet在數據傳輸效率高、可靠性強，無線傳感網的自組網能力強等優點，在提高系統工作效能、降低系統功耗及運營成本方面表現出較大的優勢。不僅解決了通信線路的鋪設問題，同時也解決了油田參數采集與實時監控的傳輸要求，更加符合數字化油田的需求，具有良好的應用前景。
參考文獻
[1] 王雷.ZigBee無線傳感網絡在油田中的應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.
[2] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZIGBEE技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008：321-337.
[3] 李文仲，段朝玉. ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：128-177.
[4] 廖之健，徐治康，趙讀俊.ZigBee無線傳感器網絡的振動數據采集系統設計[J].電子技術應用，2011，37(3)：22-25.
[5] 紀金水．基于ZigBee無線傳感器網絡技術的系統設計[J]．計算機工程與設計，2007，28(2)：404-408.
[6] 馮仁劍，張帥鋒，于寧，等.應用于天然氣管網安全監測的無線傳感器網絡節點設計與實現[J].傳感技術學報，2009，22(10)：1492-1497.
[7] 邵舒淵，盧選民.基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監測系統研究與開發[J].電子技術應用，2008(6)：138-140.