引言

目前，國(guó)內(nèi)索道風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的有線方式或者采用大功率數(shù)傳模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸。有線方式的布線成本高，維護(hù)不方便，尤其在索道這種特殊的山區(qū)復(fù)雜地形，缺點(diǎn)更為明顯；采用大功率數(shù)傳模塊的無(wú)線方式，功率大，數(shù)據(jù)傳輸易受環(huán)境干擾。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗、低成本、高可靠性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其在環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間［1'%本文以索道風(fēng)速檢測(cè)為應(yīng)用背景，提出了一種方便可靠的索道風(fēng)速自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。它以DIGI公司的ZigBee模塊Xbee-Pro為核心，配置風(fēng)速傳感器"C9S08QG8單片機(jī)，實(shí)時(shí)精確地測(cè)量索道運(yùn)行環(huán)境的風(fēng)速，為索道的安全運(yùn)行提供了保障。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的主要功能是采集索道運(yùn)行環(huán)境的風(fēng)速，在風(fēng)速大于10m/s時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。上位機(jī)收到報(bào)警信息后，提示索道工作人員，當(dāng)前風(fēng)速環(huán)境下索道不適合運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的數(shù)據(jù)接收器用于接收風(fēng)速采集終端發(fā)送的風(fēng)速信息，并傳送給監(jiān)控上位機(jī)；無(wú)線通信路由為整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸提供路由；風(fēng)速采集終端用于采集風(fēng)速傳感器的模擬信號(hào)，并發(fā)送至數(shù)據(jù)接收器；上位機(jī)則接收數(shù)據(jù)接收器傳輸?shù)娘L(fēng)速數(shù)據(jù)，并根據(jù)風(fēng)速判斷是否發(fā)出報(bào)警信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)接收器

數(shù)據(jù)接收器的功能主要是接收風(fēng)速采集終端發(fā)送的風(fēng)速信息。首先是通過(guò)RS232接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示；其次通過(guò)單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷當(dāng)前風(fēng)速是否超過(guò)報(bào)警上限(10m/s)?如果超過(guò)報(bào)警上限，數(shù)據(jù)接收器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警，同時(shí)報(bào)警信號(hào)燈閃爍，進(jìn)行燈光提示。

整個(gè)數(shù)據(jù)接收器由電源、單片機(jī)MC9S08QG8、XBee-Pro模塊、RS232接口、LED顯示、蜂鳴器、報(bào)警信號(hào)燈組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電源選用通用開(kāi)關(guān)電源：輸入220VAC，50Hz，輸出5V，2A，再通過(guò)LM1117-3.3電源芯片將電壓降至3.3V，為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；LED顯示采用CD4094驅(qū)動(dòng)通用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。下面介紹一下XBee-Pro模塊和單片機(jī)MC9S08QG8的性能。

無(wú)線通信模塊選用美國(guó)DIGI公司的XBee-Pro模塊。

XBee-Pro模塊是美國(guó)DIGI公司的ZigBee模塊，是一種遠(yuǎn)距離、低功耗的數(shù)傳模塊，頻段有2.4GHz，900MHz，868MHz，三種同時(shí)可兼容802.15.4協(xié)議。該模塊內(nèi)置協(xié)議棧，具有直接序列擴(kuò)頻功能(DSSS)，支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和MESH網(wǎng)絡(luò)?XBee-Pro模塊在發(fā)射功率不大的條件下可以傳輸很遠(yuǎn)的距離，比如在100mW的發(fā)射功率下，室內(nèi)傳輸距離可以達(dá)到100m，室外傳輸距離1500m。模塊的RF數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以到250Kb/s。模塊的供電范圍是2.8~3.4V，TX電流為215mA(@3.3V)，RX電流為55mA(@3.3V)田。

MC9S08QG8是飛思卡爾公司推出的一款高性能、低功耗的8位單片機(jī)叫該單片機(jī)具有以下特點(diǎn):單總線調(diào)試接口(BDM調(diào)試接口)，具有在線重新編程的功能，方便用戶進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)；I/O接口具有多種復(fù)用功能，通過(guò)寄存器的配置可以實(shí)現(xiàn)多種功能，同時(shí)通過(guò)寄存器的配置可以完成輸入輸出、上拉下拉電阻和驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)置；內(nèi)部資源豐富，具有/A/D、串行通信接口(SCI)、集成電路互連(IIC)總線接口等。

2.2無(wú)線通信路由

無(wú)線通信路由包括兩個(gè)部分：無(wú)線通信模塊XBee-Pro,具有接收和發(fā)送各種采集數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)的功能；電源系統(tǒng)，為無(wú)線通信路由提供工作電源，保證系統(tǒng)正常可靠工作。

無(wú)線通信路由的主要功能是為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸提供路由。系統(tǒng)在加入無(wú)線通信路由后，可以擴(kuò)大無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，提高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。如果索道運(yùn)行的環(huán)境距離較短，可以不采用無(wú)線通信路由。

2.3風(fēng)速采集終端

風(fēng)速采集終端的功能是采集風(fēng)速傳感器輸出的電流信號(hào),通過(guò)無(wú)線通信模塊XBee-Pr。的A/D轉(zhuǎn)換接口將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給數(shù)據(jù)接收器。

風(fēng)速采集終端主要包括XBee-Pro模塊、供電系統(tǒng)和風(fēng)速傳感器。風(fēng)速傳感器采用電流輸出型葉輪傳感器，傳感器采用12V供電，測(cè)量范圍為0~30m/s，輸出信號(hào)為4~20mA［12］。風(fēng)速傳感器的輸出電流信號(hào)通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，然后由XBee-Pro模塊的ADC接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。供電模塊由太陽(yáng)能電池板、鉛酸蓄電池和電源控制系統(tǒng)組成，為整個(gè)風(fēng)速采集終端提供可靠的工作電源。

風(fēng)速采集終端的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3風(fēng)速采集終端結(jié)構(gòu)圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1Xbee-Pro模塊設(shè)置

XBee-Pro模塊的功能非常強(qiáng)大，通過(guò)上位機(jī)軟件X-CTU可以對(duì)模塊進(jìn)行具體的配置。為了修改或者讀取射頻模塊的參數(shù)，模塊必須首先進(jìn)入命令模式。命令模式有AT命令方式和API方式，一般應(yīng)用X-CTU軟件來(lái)配置參數(shù)以及寫(xiě)入相應(yīng)模塊固件，X-CTU軟件上可以很方便地讀寫(xiě)模塊配置參數(shù),并可觀察發(fā)送和接收指令［6'8］。

XBee-Pro模塊內(nèi)置協(xié)議棧，用戶可以根據(jù)自己的需要通過(guò)廠商提供的上位機(jī)軟件X-CTU寫(xiě)入相應(yīng)的配置。模塊的工作方式有兩種：一種方式是API方式；一種是AT方式［11］。模塊工作在AT方式時(shí)具有易于查詢、管理方便等特點(diǎn)；而API方式由于具有返回碼，更有利于數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)論設(shè)置成AT模式還是API模式，彼此之間都可以進(jìn)行通信。相比較而言，模塊工作在API方式下所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用起來(lái)更為靈活和廣泛，而且在API模式下，設(shè)備還可以將配置命令發(fā)送到遠(yuǎn)程模塊來(lái)設(shè)置或讀取任何在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備[句。

本系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)接收器的XBee-Pro模塊配置成ZigBeeCOORDINATORAPI方式，無(wú)線通信路由的XBee-Pro配置成ZigBeeROUTERAPI方式，風(fēng)速采集終端配置成ZigBeeENDDEVICEAPI。它們都是通過(guò)X-CTU軟件將通信協(xié)議固化到模塊中的。

3.2MC9S08QG8程序設(shè)計(jì)

MC9S08QG8采用C語(yǔ)言編程，編程軟件采用CodeWarrior6.0。CodeWarrior系列集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)是Metrowerks公司為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)工具。CodeWarrior包括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具：IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等。CodeWarrior將尖端的調(diào)試技術(shù)與健全開(kāi)發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)易性結(jié)合在一起，將C/C++源級(jí)別調(diào)試和嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶入新的水平[7]。

MC9S08QG8的程序流程圖如圖4所示。

圖4程序流程圖

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用MicrosoftVC++6.0設(shè)計(jì)，限于篇幅，不再贅述。

4結(jié)語(yǔ)

目前，本系統(tǒng)已被應(yīng)用到十幾條索道系統(tǒng)中，效果良好。系統(tǒng)采用了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，解決了因索道工作環(huán)境復(fù)雜而造成的布線困難和無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)不可靠等缺點(diǎn)，而且具有功耗低，節(jié)點(diǎn)配置靈活等特點(diǎn)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。

20211112_618e682b02e35__基于ZigBee技術(shù)的索道風(fēng)速自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)