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摘 要：在基于物联网的燃气设备监控系统建设过程中，采用基于ZigBee技术的无线通信方案，由数据集中器与数据采集终端构成了可靠有效的底层监控网络。该方案网络功能强大，省去布线工作和工程费用，降低安装和维护的成本，而且网络的扩容和重新配置十分方便，是现代无线网络不可缺少的组成部分。
关键词：数据集中器 数据采集终端 ZigBee 底层网络
随着科学技术的飞速发展，物联网技术的应用也逐渐走进了我们的生产生活中。在燃气设备的物联网建设过程中，不但需要设备体积小、微功耗，而且还需要建立设备本身和运行成本都很低的数据采集和传输终端支撑网络。基于 ZigBee技术的无线通信方案，为该系统的底层网络的建立提供了十分有效的解决方案。
一、系统构成
该基于物联网的燃气设备监控系统由ZigBee/GPRS数据集中器网关、数据采集终端以及远程监控中心所组成。数据集中器网关与数据采集终端构成了底层监控网络。数据集中器网关通过GPRS网络，与远程监控中心进行实时数据通信，从而对整个燃气设备网络的运行状态实施监控，或给燃气设备下达控制命令。网络结构如图1所示。
图1 基于物联网的燃气设备运行监控网络示意图
按照监控系统的功能需求，该系统的软件设计部分主要包含三个方面，分别为远程监控软件设计、ZigBee底层监控网络的通信程序设计和数据集中器网关的GPRS通信程序设计。监控软件设计包含了与数据集中器网关的TCP通信软件设计，以及基于数据库的燃气设备运行与控制的数据管理软件设计。
二、ZigBee底层监控网络
按照监控网络的总体设计方案，选用ZigBee无线通信方案，由数据集中器与数据采集终端构成和建立了底层监控网络。
ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4标准开发的有关组网、安全和应用软件方面的短距离无线通信新兴技术，基于ZigBee的无线设备，具有低功耗、低成本、短时延、低速率、高可靠性、高容量等优点，通信距离可以从标准的75m扩展到几百米、几千米，并支持无限扩展[1]。
ZigBee数据采集终端节点主要完成从智能流量计等智能燃气设备接收数据，并通过无线通信方式发送采集接收到的数据，或者接收从数据集中器中的ZigBee协调器节点发送的控制命令。数据采集终端按照通信模块的网络功能不同，可以分为一般功能的数据采集终端以及路由功能的数据采集终端。
数据集中器中的ZigBee协调器节点是所管辖的底层网络的发起者，存储有所辖ZigBee网络中的各个节点的信息[2]。数据集中器中ZigBee协调器的主要任务就是组建和维护一个网络，收集所辖ZigBee网络中各个节点发出的信息，通过数据集中器中的GPRS模块连接Internet网络，从而实现了对燃气设备的远程监控。
该系统中ZigBee 网络是监控系统的底层网络，负责燃气设备运行数据和状态信息的采集上传，以及控制命令的下达。在ZigBee网络中，Zigbee设备可以分为协调器节点、路由器节点以及终端节点。协调器节点负责网络的建立，以及网络的维护。协调器节点和路由器节点均具有路由功能。通过路由和节点间通信的接力，传输距离可实现无限扩展。其节点的自组织网通信方式见图2。
图2 ZigBee底层监控网络结构示意图
本系统涉及的燃气设备一般都相对集中，或是一栋楼宇中，或是一个场站里，距离都不是很远，本系统采用了星状网络结构，由数据集中器作为主节点，负责管理若干子节点，并且基本没有设计使用路由节点。数据终端结构与数据集中器结构如图3和图4所示。
图3 ZigBee数据终端结构示意图
图4 数据集中器结构示意图
ZigBee网络的软件设计是通过的通信协议栈，实现对网络的运行管理的[3]。目前已有很多可选的ZigBee协议找方案，本系统选用的是TI公司推出的免费下载版本Z-Stack协议栈。ZigBee协议栈是对OSI七层模型的一个简化，它包含物理层、媒体访问控制层、网络层以及应用层。Z-Stack协议栈的运行是基于一个最基本的轮转查询式操作系统。系统上电后，首先完成软硬件模块的一系列初始化工作，为操作系统的运行做好准备。进入操作系统后，系统将轮询每个任务中是否有事件发生，如若存在待处理事件，就执行相应的函数[4]。
三、ZigBee设备通信设计
在ZigBee协议栈结构的IEEE80.215.4技术标准包括两个物理层： 一个是全球通用的2.4GHz频段，传输速率250kbps，另一个是欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段，传输速率分别为20kbPs和40kbps。
在这三个频段上共划分有27个信道，信道的编号k为0～26。2450MHz频段上划分16个独立信道，915MHz频道有10个独立信道，868MHz频道上只有1个信道。27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如下：
fc=868.3MHz k=0
fc= [906+2（k -1）]MHz k=1，2，3…，10
fc= [2405+5（k -11）]MHz k=11，12，13…，26
这三个频段都是免许可的ISM频段[5]。
本方案在ZigBee网络的硬件实现上， 选用了 TI公司2.4GHz ISM波段的CC2530芯片系统为解决方案。
图5 CC2530芯片及其外围电路
无线传输模块电路包括CC2530芯片以及其外围相关电路。在CC2530芯片当中，已经将8051单片机内核与无线收发模块集成在了一起，因而极大方便和简化了电路的设计过程，免去了单片机与无线收发芯片之间的接口电路部分。设计原理图，如图5所示，其原理图主要包括接口电路、3.3V和1.8V电源滤波电路、芯片晶振电路、天线电路、入网指示电路及复位电路部分。
根据监控网络的设计要求，ZigBee节点间的通信距离必须大于燃气设备的间距，尽可能的减少使用路由器节点，因此ZigBee模块的设计必须考虑到通信距离的长短。
电磁波在空气中传播，有很多因素都会造成信号的衰减，比如：电磁波在传播过程中的正常衰减;大气层引起的电磁波折射;地面等物体反射波与直接波的干涉效应等。
本监控系统的ZigBee设备设计工作在2.4GHz频段，在该频段的电路设计中，很容易因为PCB设计、阻抗匹配、天线极化等问题，造成信号功率的大幅衰减，实际传输距离要比理论估算要短很多，也就是说信号强度会严重影响通信距离。
提高节点之间的通信距离，有助于扩大监控网络的物理覆盖范围。因此在本系统的ZigBee模块设计中，不仅使用了增益天线，而且添加了射频功率放大模块，即RFX2401C射频功率放大电路。该芯片内部集成了PA，LNA，发送接收开关电路，相关匹配网络以及谐波滤波器。该芯片具有22dBm的发射功率，而且外围电路非常简单。该芯片电路如下图6所示：
图6 射频放大电路原理图
这种基于Zigbee技术的低成本、低功耗和低速率的无线通信技术方案[6]，通过在燃气设备物联网系统中的应用，凸显出其网络功能强大，省去布线工作和工程费用，降低安装和维护的成本，而且网络的扩容和重新配置十分方便，是现代无线网络不可缺少的组成部分，该技术的推广应用，必将极大加速物联网技术和产业的发展。
参考文献：
[1]彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011（5）.
[2]包启明，陈益民，苏保兰.基于Zigbee和3G的远程监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2014（10）.
[3]华晔，张涛，马媛媛.智能电网环境下ZigBee技术及其安全性研究[J].现代电子技术，2013（17）.
[4]缪锐.基于物联网的太阳能LED路灯监控系统设计与研究[D].南京.南京理工大学，2014.
[5]瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京.北京航空航天大学出版社，2007.
[6]林方键，胥布工.基于Zigbee网络的路灯节能控制系统[J].控制工程，2009（3）.