船用气囊作为我国的一种自主创新的产品，以其自身安全可靠、绿色环保的特性，在船舶上下水工程中发挥着不可替代的作用^[1].但是，目前船用气囊在使用过程中的安全监测仅依靠人工查看机械压力表的方法来实现，在作业过程中，这种检测方法耗费了不少的人力和时间，工作效率低下；另一方面，这种传统的检测方法还存在着对气压异常的气囊发现时间慢所导致的维护不及时，致使其作业过程中出现安全隐患.除此之外，如果采用传统有线的监测系统，则会存在布线复杂、抗干扰性差、不利于安全作业等缺点.针对目前这种情况，本文设计了一种基于ZigBee无线技术的气体压力采集系统，实现了船用气囊压力监测的无线化、集中化、简易化，很大程度上满足了现实中船用气囊压力监测技术的改进需求.

IEEE802.15.4标准作为ZigBee规范的基础^[2]，它定义了ZigBee规范所使用的物理层(PHY)和媒体介质访问控制层(MAC).ZigBee协议在此基础上加入了网络层(NWK)、应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)以及用户自定义的应用对象应用程序框架等.

与蓝牙技术、Wi-Fi技术等短距离无线通信技术相比，ZigBee技术具有低成本、低功耗、系统复杂性低、安全可靠等特点，ZigBee的通信频段主要是采用全球免申请的2.4 GHz的ISM频段，其传输速率可达250 kbit/s^[3].在网络拓扑结构方面，ZigBee网络可选择星型网络、网状网络、簇状网络等3种拓扑结构^[4]，其网络具有自组织、自我修复等特点.根据网络组成的角度定义，ZigBee网络设备可划分为协调器(coordinator)、路由器(router)、设备终端(enddevice)等3种不同设备，其中协调器和路由器统称为全功能设备(Full Function Device，FFD)，设备终端称为缩减功能设备(Reduced Function Device，RFD), FFD和FFD之间、FFD和RFD之间可以直接相互通信，而RFD与RFD之间不能直接通信，需要经过FFD进行中转^[5].

基于ZigBee的船用气囊压力采集系统结构主要由采集器、传感器节点、中继器以及用于数据显示的上位机等4部分组成，并从传输链路的可靠性和网络的稳定性角度考虑，采用网状网(MESH)作为本系统的ZigBee网络拓扑结构.系统工作原理如图 1所示，采集器上电启动后就通过应用层、网络层、MAC层之间一系列网络原语通信^[6]，完成网络PANID、网络信道等参数设置，便建立起ZigBee网络，并进入等待其他子节点加入.中继和传感器节点通过寻找与指定PANID相匹配的网络并加入网络，成功加入后，传感器节点定时对船用气囊气压进行采集和处理，并将包含有传感器节点短地址、编号、气压值等内容的数据通过ZigBee网络发送给采集器，采集器则将接收到的数据进行处理后经RS232上传到上位机，上位机完成数据处理、分析、存储和集中显示等功能.

图 1(Figure 1)

图 1 系统工作原理简图 Figure 1 Working principle diagram for the system

本设计选用TI公司的CC2530芯片作为主控制器，气压的采集通过Freescale公司的MPX5700气压传感器实现.CC2530是TI推出的带有增强型8051内核, 内嵌符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频收发器的微控制器，它具有丰富的片内片外资源：8路输入和可配置分辨率的12位ADC、2个支持多种串行协议的USART、21个通用输入输出引脚、看门狗定时器、睡眠定时器等^[7].

采集器和中继器在本设计中采用相同硬件电路，该硬件电路主要由CC2530、CC2591芯片及其外围电路、RS232电平转换电路、状态指示灯电路及3.3 V电源电路组成，其电路结构如图 2所示.对于传感器节点电路设计，其硬件电路主要CC2530、CC2591芯片及其外围电路、MPX5700实现电路^[8]、状态指示灯电路及不同器件所需的电源电路，其结构框图如图 3所示.由于MPX5700的电源电压范围在4.75~5.25 V之间^[9]，因此在传感器节点电路中外加了一个从3.7V到5V的升压电路，该升压电路通过电源升压芯片FAN4855^[10]实现，而主控制器CC2530芯片的供电电源则通过3.3 V线性稳压芯片实现.

图 2(Figure 2)

图 2 采集器、中继器的硬件结构图 Figure 2 Hardware structure of the collector and repeater

图 3(Figure 3)

图 3 传感器节点硬件结构图 Figure 3 Hardware structure of the sensor node

在整个系统中，采集器、中继器通过5号干电池或PC机的USB接口供电，传感器节点则使用容量为2 600 mAh的锂电池对其供电.为了节省传感器节点的功耗，当传感器节点运行完所设定的任务后便进入休眠模式^[11]，直至睡眠定时器计时完成后唤醒.

整个系统软件主要是基于TI的Z-Stack 2007协议栈进行开发的，在该协议栈中内嵌有一个基于优先级轮询的操作系统，协议栈程序通过该操作系统进行任务管理和事件响应，可以有效提高程序运行效率^[11].针对本系统程序设计，软件设计主要分为采集器、中继器和传感器节点3部分，如图 4所示，采集器上电启动后经过一系列系统初始化和网络参数初始化建立起ZigBee网络，网络建立后采集器便承担起网络管理、接收传感器节点上传的数据、与上位机通信等任务；而中继器上电后经过系统初始便寻找和加入ZigBee网络，它主要负责网络管理、数据中转、心跳包的发送等任务，心跳包的发送有助于采集器确认中继是否在线.如图 5所示，传感器节点上电后经系统初始化后，向匹配的网络发出加入请求，成功加入网络后便采集气囊气压和上传数据，完成后进入休眠状态，以减少功耗.

图 4(Figure 4)

图 4 采集器与中继器的软件流程图 Figure 4 Software flow chart of the collector and repeater

图 5(Figure 5)

图 5 传感器节点软件流程图 Figure 5 Software flow chart of the sensor node

系统性能测试主要分为传输距离和系统稳定性等重要性能指标测试^[12]，测试实验场地选择在广东工业大学大学城校区教学二号楼旁的一块空旷地上进行.传输距离的测试实验，主要分为点对点和多点组网的通信测试.

对于点对点传输测试，使用一个采集器和一个传感器节点进行，并在笔记本电脑上运行监控软件，用于监测接收的数据.两节点测试距离从50 m开始，并以每次移动50 m增加测试距离，直至两个节点相距300 m.传感器节点每隔60 s向采集器发送一个大小为11字节的数据包，监控软件则记录0.5 h内采集器接收到的字节数.测得数据如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 传输距离测试的实验数据 Table 1 Experimental data on the transmission distance test 测试距离/m 点对点方式 组网方式 理论值/B 实际值/B 丢包率/% 理论值/B 实际值/B 丢包率/% 50 330 330 0 16 500 16 445 0.33 100 330 319 3 16 500 15 895 3.67 150 330 319 3 16 500 15 785 4.33 200 330 308 6 16 500 14 993 9.13 250 330 297 10 16 500 14 487 12.20 300 330 286 13 16 500 14 102 14.50

表 1 传输距离测试的实验数据 Table 1 Experimental data on the transmission distance test

对于多点组网通信实验，选用1个采集器节点、3个中继器和50个传感器节点进行测试，并按照点对点的测试方法，记录0.5 h内采集器接收到的字节数.测得数据如表 1所示.

通过分析表 1的传输距离测试结果，在点对点通信和组网通信的情况下，采集器与传感器节点距离越近，数据丢包率^[13]就越小，而在组网方式下，同样距离下数据丢包率要大于点对点方式，之所以出现这种情况是因为多个传感器节点同时向采集器发送数据，造成采集器负荷加大.虽然存在丢包现象，但系统300 m范围内通信成功率在85%以上，也能满足当前系统要求.

关于系统稳定性的测试，该系统已在越南施工现场进行了试验.试验结果表明，整个采集系统在上电情况下能连续工作120 h，少数传感器节点因被障碍物阻挡信号而出现掉线的情况，在适当的位置通过添加中继器后，掉线的节点可重新加入网络.为了解决丢包现象，对传感器节点的程序进行了修改，当其发送数据不成功时则适当延时后再发一次数据，通过上述的修改，工作时间内采集器接收数据的成功率达92%以上，能满足工作现场的要求，由此验证了系统设计的合理性和稳定性.越南施工现场如图 6所示.

图 6(Figure 6)

图 6 越南施工现场 Figure 6 Vietnam construction site

本文所实现的船用气囊气压采集系统，以TI的CC2530芯片为核心，以Z-Stack 2007协议栈为基础，构建ZigBee传感网络，使整个系统具有功耗小、成本低、自组网、网络自愈^[14]等特点.通过ZiBee无线网络传输，有效解决了传统监测系统碰到的网络拓扑固定、布线复杂等问题^[15].经实践证明，该系统组网速度快、运行稳定、抗干扰性强，能有效地对船用气囊压力状况进行监测，达到了预期效果和设计要求.