文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.040
中文引用格式：朱磊，董亮，夏颖，等. 基于ZigBee嵌入式双网路由交换节点的设计[J].电子技术应用，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
随着微电子技术、云计算、传感器技术、网络技术的飞速发展，把无线传感网技术与石油生产相结合，建立数字化油田，已经成为国内外一些研究机构或科研院所的研究焦点。我国石油储量丰富，然而与世界上主要产油国家相比，数字化建设水平还有待提高。油田的勘探、钻井、测井、录井等野外作业流动性强，点多、分散、距离长，随着工作面的不断推进, 通信线路的延伸和维护变得越来越复杂, 一旦通信链路发生故障, 整个测控系统就可能瘫痪, 严重影响了系统的可靠性。
ZigBee是一种无线网络协议，可以免费使用2.4 GHz的频段，并且可以实现在数千个微小的传感器之间进行相互协调，这些信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端[1-3]。油田作业地处偏远，无线网络由于节点数量有限只能做为数据采集与传输[4，5]，不能将其无限拓展。为解决该问题，本文针对无线传感网络与Internet网络的互联互通，提出了一种可行性解决方案。
1 ZigBee终端采集节点设计方案
ZigBee终端采集节点硬件电路主要由ZigBee射频系统电路、信息采集电路等几个模块构成，结构如图1所示。信息采集电路的主要功能是完成将油田作业环境里的传感器(如温湿度、光强度、设备电压电流值、油气气压值等)采集到的电信号转变为数字电路能够判断的数电信号并传输给ZigBee控制器；ZigBee射频系统主要负责把采集到的数据进行转换、分析并且与其他节点进行通信；电源电路部分是终端节点最需要考虑的部分，考虑到节点的节能、便捷等功能，一般是采用电池供电，节点电源采用三节1.5 V碱性电池组成，以进一步减小体积，提高节点方便程度。为了提高电路板的利用率，将干电池、天线以背板的形式安放。
2 射频系统电路设计
本文设计的射频系统在CC2530的基础上，加上的一个天线功放RFX2401C芯片，使系统的数据收发的精确率、通信范围得到一定程度的提升。配上一个9dBi的天线，理论上的通信范围可以到一千多米。这样的设计可以适合一些复杂的环境（如：野外、采油荒地），增加网络的可靠性。
TI公司发布的datasheet里给出了CC2530的典型应用图。本系统的设计是根据典型应用图设计的，电路原理图如图2所示。主时钟电路中采用一个32 MHz晶振（Y2）和2个22 pF的负载电容（C13、C14），可选时钟电路以一个32.768 kHz时钟晶振（Y1）和2个15 pF的负载电容(C3、C4)；天线的输入/输出匹配采用巴伦阻抗匹配网络，只需几个分立电感和电容（L2、C9、L3、C12）就可实现；天线功放芯片的外围电路也很少，高频设备的电源输入设计需要电容进行滤波，其TXEN和RXEN引脚是发送和接收使能引脚，本设计中校仿CC2591功放接法，分别接P1_4和P1_1；天线使用50 Ω的鞭状负极性全向天线，本系统的电路中必须对电源进行去耦滤波以获得更好的性能，在这样的高频电路设计中，去耦电容和滤波电感的位置、尺寸和精度对获得最佳性能是非常关键的。
3 通信网络服务器设计
ZigBee终端节点主要完成发现网络、加入网络、数据的采集和发送、接收协调器的控制命令等功能[6，7]，它是整个系统的感知末梢，其功耗问题一直是人们考虑的热点。由于ZigBee芯片是8051内核，没有多线程操作，因此在其休眠期间不会处理父节点发送过来的数据信息。将终端节点的传感器数据采集与节点休眠结合起来，当节点完成数据采集后，立刻将数据发往父节点，待发送成功后该节点采取休眠唤醒机制，进入休眠状态时切断部分电源，休眠计时时间到后，则节点进行下一轮的数据采集与发送过程。
终端节点的ZigBee协议栈是通过在main（）中引入OSAL操作系统，然后进入网络，由ZDO实现终端节点加入网络的过程，如果加入成功，在应用层会收到ZDO_STATE_CHANGE消息，通过查找消息可以知道网络的状态。终端节点软件框图如图3所示。
4 以太网监控平台设计
为了有效观察ZigBee远程采集的数据，采用Java进行了客户端设计，该客户端可以实现油田数据的实时采集与信息处理。软件流程图如图4所示。
首先要建立网络连接，并通过服务器的端口形成一条虚拟的连接。通过这个连接，客户端根据需要，可以通过向服务器发送请求响应而决定交换数据。然后将要描绘的数据存入txt文本中，调用算法工具进行画图，当交换完数据后释放所占用的端口。上位机界面如图5所示。
5 结束语
采用无线传感网络与Internet相结合的方式设计了具有无线自由组网功能的数据采集与传输系统。该系统充分发挥Internet在数据传输效率高、可靠性强，无线传感网的自组网能力强等优点，在提高系统工作效能、降低系统功耗及运营成本方面表现出较大的优势。不仅解决了通信线路的铺设问题，同时也解决了油田参数采集与实时监控的传输要求，更加符合数字化油田的需求，具有良好的应用前景。
参考文献
[1] 王雷.ZigBee无线传感网络在油田中的应用研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[2] 金纯，罗祖秋，罗凤，等.ZIGBEE技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008：321-337.
[3] 李文仲，段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：128-177.
[4] 廖之健，徐治康，赵读俊.ZigBee无线传感器网络的振动数据采集系统设计[J].电子技术应用，2011，37(3)：22-25.
[5] 纪金水．基于ZigBee无线传感器网络技术的系统设计[J]．计算机工程与设计，2007，28(2)：404-408.
[6] 冯仁剑，张帅锋，于宁，等.应用于天然气管网安全监测的无线传感器网络节点设计与实现[J].传感技术学报，2009，22(10)：1492-1497.
[7] 邵舒渊，卢选民.基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统研究与开发[J].电子技术应用，2008(6)：138-140.