基于ZigBee技术的索道风速自动测量系统的设计与实现

摘 要：为解决索道风速检测系统存在的问题，采用基于ZigBee技术的XBee-Pro模块，提出了一种新型索道风速自动测量系统的方案。该系统能够实时监测索道运行环境中的风速，实现风速的实时显示和超限报警，避免风速超限造成的人员和索道系统的损害。该系统的研发提升了索道运行环境检测的智能化水平，可广泛应用于各种索道和其他系统的风速检测中。

关键词：ZigBee；XBee-Pro；索道；风速测量

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）11-0029-03

0 引 言

目前，国内索道风速检测系统大多采用传统的有线方式或者采用大功率数传模块进行无线传输。有线方式的布线成本高，维护不方便，尤其在索道这种特殊的山区复杂地形，缺点更为明显；采用大功率数传模块的无线方式，功率大，数据传输易受环境干扰。ZigBee网络是一种低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络，其在环境检测等领域有着广阔的应用空间[1，2]。本文以索道风速检测为应用背景，提出了一种方便可靠的索道风速自动检测系统。它以DIGI公司的ZigBee模块Xbee-Pro为核心，配置风速传感器、MC9S08QG8单片机，实时精确地测量索道运行环境的风速，为索道的安全运行提供了保障。

1 系统概述

本系统的主要功能是采集索道运行环境的风速，在风速大于10 m/s时发出报警信息。上位机收到报警信息后，提示索道工作人员，当前风速环境下索道不适合运行。整个系统的结构如图1所示。

图1中的数据接收器用于接收风速采集终端发送的风速信息，并传送给监控上位机；无线通信路由为整个系统的无线数据传输提供路由；风速采集终端用于采集风速传感器的模拟信号，并发送至数据接收器；上位机则接收数据接收器传输的风速数据，并根据风速判断是否发出报警信息。

2 系统硬件设计

2.1 数据接收器

数据接收器的功能主要是接收风速采集终端发送的风速信息。首先是通过RS232接口发送到上位机进行显示；其次通过单片机将接收到的数据进行处理，判断当前风速是否超过报警上限（10m/s）。如果超过报警上限，数据接收器驱动蜂鸣器进行声音报警，同时报警信号灯闪烁，进行灯光提示。

整个数据接收器由电源、单片机MC9S08QG8、XBee-Pro模块、RS232接口、LED显示、蜂鸣器、报警信号灯组成。系统的结构图如图2所示。

电源选用通用开关电源：输入220 V AC，50 Hz，输出5V，2 A，再通过LM1117-3.3电源芯片将电压降至3.3 V，为整个系统提供电源；LED显示采用CD4094驱动通用数码管实现。下面介绍一下XBee-Pro模块和单片机MC9S08QG8的性能。

无线通信模块选用美国DIGI公司的XBee-Pro模块。XBee-Pro模块是美国DIGI公司的ZigBee模块，是一种远距离、低功耗的数传模块，频段有2.4 GHz，900 MHz，868MHz，三种同时可兼容802.15.4协议。该模块内置协议栈，具有直接序列扩频功能（DSSS），支持的网络结构包括点对点网络、点对多点网络和MESH网络[10]。XBee-Pro模块在发射功率不大的条件下可以传输很远的距离，比如在100 mW的发射功率下，室内传输距离可以达到100 m，室外传输距离1500 m。模块的RF数据传输速率最高可以到250 Kb/s。模块的供电范围是2.8～3.4 V，TX电流为215 mA（@3.3 V），RX电流为55 mA（@3.3 V）[4]。

MC9S08QG8是飞思卡尔公司推出的一款高性能、低功耗的8 位单片机 [5]。该单片机具有以下特点[4，9]：单总线调试接口（BDM调试接口），具有在线重新编程的功能，方便用户进行程序开发；I/O接口具有多种复用功能，通过寄存器的配置可以实现多种功能，同时通过寄存器的配置可以完成输入输出、上拉下拉电阻和驱动能力的设置；内部资源丰富，具有A/D、串行通信接口（SCI）、集成电路互连（IIC）总线接口等。

2.2 无线通信路由

无线通信路由包括两个部分：无线通信模块XBee-Pro，具有接收和发送各种采集数据和网络协议数据的功能；电源系统，为无线通信路由提供工作电源，保证系统正常可靠工作。

无线通信路由的主要功能是为无线通信网络的数据传输提供路由。系统在加入无线通信路由后，可以扩大无线网络覆盖的范围，提高无线数据传输的准确性和可靠性[13]。如果索道运行的环境距离较短，可以不采用无线通信路由。

2.3 风速采集终端

风速采集终端的功能是采集风速传感器输出的电流信号，通过无线通信模块XBee-Pro的A/D转换接口将电压信号转换成数字信号，然后通过无线网络发给数据接收器。

风速采集终端主要包括XBee-Pro模块、供电系统和风速传感器。风速传感器采用电流输出型叶轮传感器，传感器采用12 V供电，测量范围为0～30 m/s，输出信号为4～20mA[12]。风速传感器的输出电流信号通过采样电阻转成电压信号，然后由XBee-Pro模块的ADC接口进行转换。供电模块由太阳能电池板、铅酸蓄电池和电源控制系统组成，为整个风速采集终端提供可靠的工作电源。

风速采集终端的结构如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 Xbee-Pro模块设置

XBee-Pro模块的功能非常强大，通过上位机软件X-CTU可以对模块进行具体的配置。为了修改或者读取射频模块的参数，模块必须首先进入命令模式。命令模式有AT 命令方式和API 方式，一般应用X-CTU 软件来配置参数以及写入相应模块固件，X-CTU 软件上可以很方便地读写模块配置参数，并可观察发送和接收指令[6，8]。

XBee-Pro模块内置协议栈，用户可以根据自己的需要通过厂商提供的上位机软件X-CTU写入相应的配置。模块的工作方式有两种：一种方式是API方式；一种是AT 方式[11]。模块工作在AT 方式时具有易于查询、管理方便等特点；而API 方式由于具有返回码，更有利于数据的可靠性传输。在同一个网络中无论设置成AT模式还是API模式，彼此之间都可以进行通信。相比较而言，模块工作在API 方式下所构成的网络应用起来更为灵活和广泛，而且在API模式下，设备还可以将配置命令发送到远程模块来设置或读取任何在网络中的设备[6]。

本系统中将数据接收器的XBee-Pro模块配置成ZigBee COORDINATOR API 方式，无线通信路由的XBee-Pro配置成ZigBee ROUTER API方式，风速采集终端配置成ZigBee ENDDEVICE API 。它们都是通过X-CTU软件将通信协议固化到模块中的。

3.2 MC9S08QG8程序设计

MC9S08QG8采用C语言编程，编程软件采用CodeWarrior 6.0。CodeWarrior系列集成开发环境（IDE）是Metrowerks公司为嵌入式微处理器设计的软件开发工具。CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具：IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。CodeWarrior将尖端的调试技术与健全开发环境的简易性结合在一起，将C/C++源级别调试和嵌入式应用开发带入新的水平[7]。

MC9S08QG8的程序流程图如图4所示。

本系统的上位机软件采用Microsoft VC++6.0设计，限于篇幅，不再赘述。

4 结 语

目前，本系统已被应用到十几条索道系统中，效果良好。系统采用了基于ZigBee技术的无线通信网络，解决了因索道工作环境复杂而造成的布线困难和无线数传模块传输数据不可靠等缺点，而且具有功耗低，节点配置灵活等特点，因此具有广阔的市场前景。

参 考 文 献

[1] 卢放鸣.ZigBee工业无线通信中的数据管理[J].中国仪器仪表，2008（S1）：89-95.

[2] 高汉荣，冯冬芹.工业无线网络的现状及发展趋势[J].中国仪器仪表，2008（S1）：87-89，95.

[3] 武永胜，王伟，沈昱明.基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计[J].电子测量技术，2009，32（11）：121-124.

[4] 湛江书，谢晓佳，冯发维.基于XBee-Pro的矿井安全检测与监测系统的设计[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2011，28（2）：207-211.

[5] 任勇，傅雪骄，张超.基于MC9S08QG8低端微控制器的无线控制器设计[J].无线通讯，2009，296（9）：52-55.

[6] 杨增汪，陈斯，顾明亮.基于XBee的无线振动信号检测传感器节点设计[J].煤炭技术，2010（12）：51-52.

[7] 张立社.集成开发环境CodeWarrior的使用方法[J].软件设计开发，2012（8）：143-145.

[8] 郭航宇，周凤星.基于XBee-Pro模块组建的ZigBee网络的实际应用[J].信息技术，2011（10）：193-195.

[9] 杜丽，李志军，张智勇.基于MC9S08QG8的蓄电池电压/温度分布式监测系统设计[J].应用科技，2009，36（1）：8-12.

[10]刁慧琴，朱凌云.基于ZigBee无线传感网络技术的污染气体监测系统[J].现代电子技术，2011，34（20）：171-174.

[11]王静霞.一种与ZigBee/802.15.4协议兼容的RF模块XBee/XbeePro及其应用[J].电子工程师，2007（3）：24-27.

[12] 北京飞超风速控制仪器有限责任公司.FC-3C风速传感器[ EB/OL].[2013-08-22]. http：///readcp.asp？id=47.

[13] 解兆延，张晓鹏，张延波，等.基于ZigBee无线技术的新型客运索道广播系统设计[J].信息技术与信息化，2010（1）：26-27.