基于ZigBee网络的智能变电站温度检测系统设计与实现毕业设计.doc

基于ZigBee网络的智能变电站温度检测系统设计与实现毕业设计目 录1 引言11.1课题背景11.2研究现状11.3论文主要研究内容及安排22 基础知识概述32.1 ZigBee技术32.1.1 ZigBee简介32.1.2 ZigBee技术特点32.1.3 ZigBee与各种短距离无线标准的比较42.2 ZigBee技术标准52.2.1物理层62.2.2媒体接入层62.2.3网络层62.2.4应用层72.3 ZigBee协议栈72.4 MsstatePAN协议栈92.4.1 MsstatePAN协议栈介绍92.4.2 MsstatePAN协议编程102.4.3 MsstatePAN网络体系结构113 系统总体方案设计133.1系统设计思想描述133.2系统参数及功能的设计133.2.1重要参数的设计133.2.2系统主要功能设计134 系统硬件电路设计144.1主芯片CC2430144.1.1 CC2430引脚功能144.1.2 CC2430介绍164.2温湿度传感器SHT10174.2.1 SHT10引脚功能174.2.2 SHT10介绍174.3各模块电路设计184.3.1网络协调器电路设计184.3.2终端节点电路设计185 系统软件程序设计195.1系统软件平台195.1.1 IAR Embedded Workbench开发环境195.1.2 TI Smartrf Flash Programmer介绍205.1.3串口助手介绍215.1.4 Labview介绍215.2 模块程序设计流程225.2.1终端节点设计225.2.2 网络协调器软件设计285.3上位机界面设计295.3.1设计概述295.3.2读写模块程序设计305.3.3串口模块设计305.3.4温度报警模块设计315.3.5前面板设计316 系统整体调试及结果326.1协调器组网功能测试326.2终端节点入网功能测试326.3上位机检测功能调试结果337 结论34谢辞35参考文献36附录137附录239外文资料54唐 山 学 院 毕 业 设 计1 引言1.1课题背景随着供电负荷的迅速增加以及供电设备的老化，变电站由于输变线路接头温度过高引起的火灾、爆炸现象时有发生，严重影响到用电安全，给供电、用电双方带来巨大的经济损失，近年来，对变电站灾害的实时监测、预警成为电力系统研究的热点和难点10。因此，为智能变电站设计可靠且实用的温度采集系统非常重要。传统的变电站接头温度检测方法是人工手持红外温度探测枪进行逐点测温，这种模式常出现漏测、误报现象，而且高电压、强辐射环境给工作人员带来身体伤害。尤其对于变电站广阔空间环境中的温度采集，如果采用有线方式其成本和功耗都比较高。于是我们现在就需要一种技术，能够对变电站的温度参数进行无线采集。这样既能省去人为采集的麻烦，也不再需要铺设较长的传输线，为变电站的温度检测带来便捷4。现在国内外应用比较多的无线传输技术有红外技术、蓝牙技术、ZigBee技术等。红外技术为短距离、点对点直线数据传输，保密性强，传输速率高，但是通信距离短，通信过程中不能移动，遇到障碍物通信中断，所以不适合本系统。蓝牙技术是一种短距离的无线传输应用技术，比较红外技术它通信更方便，而且稳定，但是成本和功耗都较高。ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，己成当下较为流行的无线通信技术。最大的特点就是低功耗，一节电池就可以维持6个月到数年的工作时间。 比较得知，温湿度采集是一个长期的过程，而且如果大批量来更换电池是个较为麻烦的过程。因此，适合采用ZigBee技术来做智能变电站的数据传输。1.2研究现状ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI),IEEE 802.15.4-2003标准定义了下面的两层:物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。2002年，ZigBee联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IF提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这此企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案13。ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1.0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1.1版本规范，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规范。ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又省电的各种产品来。 飞思卡尔推出了全球首个符合ZigBee标准的平台，使得制造商能够将ZigBee技术应用于传感和监控领域截止至。2005年4月，已有Texas Instruments, Freeseale, CompXs, Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。目前市场上RF主流芯片的供应商包括TI, EMBER, FREESCALE以及JENNIC，他们分别推出单芯片解决方CC2430/CC2431、EM2S0, MC1321x以及JN5121，在市场上极具竞争力。1.3论文主要研究内容及安排本文就是基于此背景而提出的基于ZigBee无线网络的智能变电站温湿度检测系统设计与实现，充分利用了无线资源，做到了防剪、防破坏，且安装维护简单。实现了主从节点间数据的无线传输，无线传感器网络组建，同时上位PC机采用串口与主节点通信，对温湿度实时监控。该系统具有扩展性好、稳定可靠、维护方便等特点。本文的安排如下:第一章阐述了设计的背景以及目前国内外的ZigBee研究发展情况。第二章介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式。第三章介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计，包括上位机的设训。第四章介绍了该设计的测试过程和调试过程。第五章对全文进行了总结以及一些个人心得。2 基础知识概述2.1 ZigBee技术2.1.1 ZigBee简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee11。 简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展7。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。2.1.2 ZigBee技术特点ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点2:1.成本低:ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz（美国)和858MHz(欧洲)，免执照频段;2.低功耗:由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用:3.低速率。ZigBee工作在20250 kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz), 40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求;4.时延短:ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms ,活动设备信通接入的时延为15ms;5.网络容量大:ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。6.可靠度高:为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发;7.安全:ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。8.传输距离远:传输范围一般介于10100m之间，在增加RF发射功率后，办可增加到1-3Km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。2.1.3 ZigBee与各种短距离无线标准的比较无线通信技术是无线传感器网络的支持和核心部分，目前，各种无线传输技术发展迅速，并且各有所长7。其中主要有蓝牙、UWB技术、红外技术、HomeRF技术等14，它们的主要参数如表2-1所示。表2-1 几种无线传输技术的比较蓝牙超宽带红外ZigBee电池寿命较短长长最长系统开销较大小小小网络节点782255/65000+覆盖范围10米10米定向1米1100米传输速率1Mbps110/200Mbps16Mbps20/250Kps传输介质2.4GHz3.1-10.6GHz980nm2.4GHz1.蓝牙（BlueTooth）蓝牙开发计划首先有爱立信于1994年提出。蓝牙，是一种无线个人局域网，让各种数码设备之间能够无线沟通。蓝牙的工作频率为2.4GHz，有效范围大约为10米。蓝牙技术的特点可以归纳为以下几点：采用2.4GHz的ISM频段，不需要申请许可证；采用快速跳频和短包技术，减少同频干扰，保证物理层传输的可靠和安全性；采用前向纠错编码来减少传输时的随机噪声影响；支持64kbit/s的实时话音传输和各种速率的数据传输，语音和数据可以单独或同时传输；最大传输速率为1Mbit/s。现在蓝牙已经被列入了IEEE802.15.1，发展迅速。2.超宽带技术超宽带（UWB）技术起源于20世纪50年代末，主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用。在无线个人局域网应用领域中，FCC已经将3.1至10,6GHz频段向UWB通信开放。与现有通信技术相比，UWB通信技术主要特点有以下几个：频带宽；低耗电；低成本；传输速率高；空间容量大；低功耗；多径分辨能力强；穿透能力强；定位准确；隐蔽性好、安全性高等。3.红外技术（IrDA） IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。当前，IrDA技术的软件和硬件都已经比较成熟，主要的技术优势有以下几个：无需专门申请特定频率的使用执照；具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。除了技术上的特点外，IrDA的市场优势也十分明显。IrDA也有它的局限性。首先，IrDA是一种视距传输技术。其次，IrDA设备中的核心部件红外LED不是一种耐久部件。最后，IrDA没有提供链接级别的安全措施，而是依靠上层协议提供的授权与安全功能。由此可知蓝牙(Bluetooth)虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。UWB技术虽然频带宽，功耗低，但其组网能力较差。因此ZigBee技术广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。2.2 ZigBee技术标准应用层网络层媒体介入层物理层ZigBee联盟IEEE802.15.4ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准，与其它无线标准如IEEE802.11或IEEE802.16不同5。ZigBee的协议框架如图2-2所示。图2-2 ZigBee协议栈框图它类似于OSI网络互联协议的一个模型，从下向上依次为物理层（PHY）、媒体接入层（MAC)、网络层(NWK)、应用支持子层(APS)、应用层，其中物理层和媒体接入层采用的是IEEE802.15.4标准，网络层和应用层则是由ZigBee联盟合作制定的。协议栈的层与层之间通过服务接入点完成数据交换。2.2.1物理层IEEE802.15.4标准定义了2个物理层标准，分别是868MHz/915MHz物理层和2.4GHz物理层。2个物理层都基于DSSS（Direct Sequence Spread Specturm，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、 扩频码片长度和传输速率。物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物理无线信道之间的接口。物理层通过物理层数据服务访问点提供物理层数据服务；通过物理层管理实体服务访问点提供物理层管理服务。物理层的主要功能：1.ZigBee的激活；2.当前信道的能量检测；3.接受链路服务质量信息；3.ZigBee信道接入方式；4.信道频率选择；5.数据传输和接收。2.2.2媒体接入层MAC层提供了特定服务会聚子层（SSCS）和物理层之间的接口。从概念上说，MAC层还包括MAC层管理实体，以提供调用MAC层管理功能的管理服务接口；同时MAC层管理实体还负责维护MAC PAN信息库。使用CSMA-CA机制接入无线信道。媒体接入层主要功能有：1.设备间无线链路的建立、维护和结束；2.传输信标帧，帧校验；3.信道接入控制；4.为设备的安全性提供支持；5.支持PAN的连接和分离；6.处理和维护保护时隙（GTS）机制；7.提供两个对等MAC实体之间可靠的链路连接。2.2.3网络层在网络层方面，ZigBee可以采用星状、树状、网状拓扑结构，也可以允许三者的结合。网络层主要采用基于Ad Hoc技术的网络协议，可以采用三种路由算法：以AODV算法建立随意网络拓扑的拓扑架构；利用广播的方式传递信息。可根据具体的应用需求，选择适合的网络架构。网络层的主要功能：1.网络机制的建立和管理；2.允许设备连接；3.路由器初始化；5.直接将设备同网络连接；6.接收机同步；7.信息库维护；8.自我组织与自我修复功能。2.2.4应用层应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括3个部分：与网络层连接的应用支持层(APS)、ZigBee设备对象ZDO以及ZigBee的应用层架构(AF)。最重要的是已经涵盖了服务的概念。ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。APS主要功能是：APS层数据单元的处理，节点间应用对象的绑定，维持绑定表以及APS数据传输机制。ZDO可以看成是一种公共的应用，提供一个公共的功能集，供用户自定义的应用对象调用APS层的服务及网络层的服务，主要功能保括设备发现和服务发现，定义设备在网络中的角色，发起和响应绑定请求，以及在网络设备之间建立安全机制。2.3 ZigBee协议栈以ZigBee为标准的实现形式典型的有Z-Stack协议栈和MsstatePAN协议栈。 Z-Stack协议栈是ZigBee技术的核心，所实现的功能越来越完善6。它是TI公司专为自己生产的，通过UCOS来实现，它的主要特点就是其兼容性，可以通过Mesh Network下载节点并更新，而且其完全支持IEEE 802.15.4/ZigBee 的 CC2430 片上系统解决方案。Z-Stack协议栈可以实现树状网络、星状网络和网状网络。Z-Stack协议栈主要有三种版本：第一种：ZigBee2004或ZigBee1.0，它于2004年12月正式生效，是一个全源代码的协议栈，能够实现一些简单的通信，在组建网络方面功能还不是很理想，组建网络类型有限，仅能实现串状组网和星状组网。第二种：ZigBee2006规范，它是一个公开的半开源的协议栈，相比较ZigBee2004，安全性更高、层次性更强、功耗更小，而且最重要的是实现了网状组网，实现了ZigBee的向后兼容性。第三种：ZigBee2007，它有两套高级的功能指令集即ZigBee功能命令集与ZigBeePro功能命令集。MsstatePan协议栈是一款精简的开源ZigBee协议，它基于ZigBee规范，具有组网迅速、源码开放、容易裁剪、方便调试、生成代码容量小等优点。MsstatePan协议栈最主要的优点是开源，能够在MAC层、网络层根据用户的需求自己设置，而且能够实现网络能所有节点的时间同步。表2-3 MsstatePan协议栈和Z-Stack协议栈的异同点功能属性Z-Stack协议栈MsstatePan协议栈路由Mesh&树形&星型路由树形&星型路由网络配置动态，节点启动时自组网动态，节点启动时自组网PAN ID动态选择静态配置，有用户设置信道选择静态设置静态设置频率2.4GHz、915、868MHz2.4GHz直接消息模式是是绑定&消息模式动态绑定、静态绑定动态绑定、静态绑定信标使能是是ZigBee广播支持是是APS应答支持是是安全加密是否数据包缓存代理支持是否HEX文件容量200KB80KB休眠功能支持是否PC端调试器MT支持是否串口调试信息打印否是由表2-3可知，MsstatePan协议栈与Z-Stack协议栈相比，虽然不能实现安全加密、数据包缓存代理支持、休眠以及MT调试功能，但是总的来说比较简洁，可以实现ZigBee的基本功能15。在本次设计中所采用的节点数量较少而且固定，不要求全加密、数据包缓存代理支持、休眠以及MT调试功能，因此选用这种精简的MsstatePan协议栈。2.4 MsstatePAN协议栈2.4.1 MsstatePAN协议栈介绍MstatePAN协议栈是一款精简的开源ZigBee协议，它基于ZigBee规范V1.0。它由密西西比州立大学电子工程学院的助理教授Robert Reese开发，发布于2007年3月5日。本文采用的硬件平台是CC2430EM，编译器采用的是IAR集成开发环境。MstatePAN协议栈源码完全公开，便于研究并根据应用场合适当对协议栈各层进一步修改。MstatePAN协议栈支持三种网络设备：协调器节点、路由器节点、终端节点，在IAR集成开发环境的编译界面中选择coord、router、rfd三种预编译选项来选择节点类型。协议栈使用2.4GHz处的16个信道，信道和PANID的设置均采用静态设置。该协议栈的构架如图2-4所示。图2-4 MsstatePAN协议栈源码构架图2-4中左边列出了协议栈包含的文件，右边为代码区。代码区中：halInit()：基本的硬件初始化操作，包括时钟频率的设定、串口的初始化、波特率的设定、以及定时器的初始化。aplInit()：协议栈的初始化操作，首先完成应用支持子层的数据信息数据库aps_pib数据结构的初始化，然后依次调用物理层初始化函数phyInit()，MAC层初始化函数macInit()以及网络层初始化函数nwkInit()。aplRegisterEndPoint(DATA_EP)：端点注册操作，每一个端点对应一个应用对象。while(1)：无限循环操作，开启了应用层状态机的循环，并会依次循环调用下层状态机。该协议栈构架中除了物理层之外，每一层都有三个有限状态机组成，分别是主状态机、数据接收状态机、数据发送状态机。主状态机FSM()主要负责处理各种命令完成协议栈的核心功能，接收状态机RxFSM()要负责处理数据接收事物，发送状态机TxFSM()则主要负责处理发送事物。该协议栈的运行采用嵌套调用的方式，即上层有限状态机内部调用下层有限状态机。各层的主状态机调用各自的数据发送和数据接收状态机。各个状态机内部都有回调函数以方便用户适当修改程序和添加功能。协议栈文件如表2-5所示。表2-5 协议栈文件文件名概述Msstate_lrwpan.h堆栈主要头文件，需要包含在应用程序Aps.c/h应用层Nwk.c/h网络层Phy.c/h物理层Neighbor.c/h邻接表，地址表函数Console.c/h控制台输出使用函数Debug.c/h调试输出实用函数Memalloc.c/h堆管理Ieee_lrwpan_defs.h801.15.4宏定义lrwpan_config.h堆栈配置宏定义lrwpan_common_types.h多数文件应用通用型号Staticbind.c/h访问定义在头文件里静态bind表函数Zep.c/hZigBee零端点设备函数Halstack.h,evboard.h在HAL和评估板上提供的可移植函数原型2.4.2 MsstatePAN协议编程对于实际应用MsstatePAN协议栈来说，最重要的是协议栈的APL函数。为实现一定的功能（如组网、收发数据等），只需要在应用层添加自己的主函数来调用APL函数，它屏蔽了协议栈的一些细节，但也可以深入APL函数的内部进行修改。协议栈的每一层都有自己的有限状态机（FSM）以随时追踪正在进行的内容。顶层的状态机函数即apsFSM()，在整个协议栈的运行过程中被周期性的调用。所有的应用层函数都以apl或者aps开头，并且它们都存放在src/stack/apl.h中。这些函数被分为两类：一类是简单的用于修正/检索内部堆栈数据值的访问函数（即设置或获取功能）；一类是数据传输过程中触发一系列事件的服务函数（调用）。这里需注意：一个栈的服务访问不一定是在函数返回时完成的，且服务调用不能重叠，一个堆栈一次只能处理一个服务，这时可以通过调用apsBusy()函数来进行判断。在调用服务的apl函数与apsBusy()函数进行检查防止服务访问重叠时，虽然浪费了一些代码空间和指令周期，但是却避免了出现程序错误和服务访问重叠的问题。表2-6列出了目前可用的apl服务，这些服务都会引发一些形式的消息在网络上交换，同时需要调用apsBusy()函数来判定何时服务完成以及aplGetStatus()函数返回的状态。表2-7列出了协议栈中一些常用的APL/APS访问和实用函数。表2-6 APL服务函数描述AplSendMSG(args not shown)发送一条消息aplSendEndDeviceAnnounce(INT16 saddr)发送自己的短地址和长地址到协调器节点，宣告网络接入协调器aplPingParent()发送ping信息到父节点，确认是否和父节点链接aplPingNode(INT16 saddr)发送ping信息到某一节点（参数为目标节点短地址）aplSendAlarm(saddr,mde)向远程节点的Zero Endpoint发送警报，非零的mde打开警报，为零时关闭警报aplFormNetwork()组网，只供协调器使用aplJoinNetwork()尝试组网aplRejoinNetwork()尝试重连父节点，重新加入网络表2-7 APL函数函数描述aplShutdown()在堆栈休眠前关闭aplWarmstart()在堆栈休眠后重启apsBusy()堆栈仍然在执行上一次aps服务时返回0aplInit()初始化栈apsGenTSN()产生一个序列号（上一次的序列号加1）aplGetMyShortAddress()返回此节点的短地址aplGetParentLongAddress()返回指向父节点长地址的指针aplGetParentShortAddress()返回父节点的短地址aplSetMacMaxFrameRetries()设置MAC层的最大帧重复发送次数aplSetApsMaxFrameRetries()设置APS层的最大帧重复发送次数aplIsUsrBufferFree()若最后的用户缓冲区中的要发送信息被复制则返回非零2.4.3 MsstatePAN网络体系结构Msstate协议栈支持两种功能类型的设备，三种节点类型，三种拓扑结构16。1.功能类型ZigBee网络含全功能设备FFD和精简功能设备RFD两种功能类型的设备。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器，路由器和普通节点。而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能，故只能作为普通节点而存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器们之间不能直接通信。ZigBee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器.2.节点类型ZigBee网络包含三种类型的节点:协调器、路由器和终端设备。其中协调器和路由器均为FFD,而终端设备选用RFD.协调器:一个ZigBee网络PAN有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络等，需要更多的存储空间和计算能力。路由器:主要实现扩展网络的功能。扩展网络，即允许更多的设备接入网络，路由节点只有在网状网络和树状网络中存在。终端设备:不具备成为父节点或路由的能力。一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通信。3.拓扑结构ZigBee网络支持星型网、树状网和网状网三种网络拓扑结构。星型网:由一个ZigBee协调器和多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心。其他节点一般为RFD，也可以是FFD,它们分布在协调器覆盖的范围内，直接与ZigBee协调器进行通信。星型网的控制和同步都比较简单，一般用于节点数量较少的场合。树状网:由一个协调器和多个形状结构连接而成，枝干末端的叶子节点一般为RFD。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。网状网:一般由若干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其他节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互联，但他们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性。缺点是需要更多的存储空间。3 系统总体方案设计3.1系统设计思想描述上位机终端节点1终端节点n协调器RS232总线整个系统由无线网络和监控主机组成，如图3-1所示。这是一个星型网络结构，最底部为传感器终端设备，向上是协调器和上位机。无线网络由ZigBee协调器、终端设备组成。协调器负责发起网络并对其进行管理和维护，包括对新加入的设备分配网络地址，节点的加入和离开，网络安全密钥的发布更新等，并将采集到的数据上传到上位机。终端设备负责采集温度信息并将信息发送给协调器。图3-1 系统总体结构框图3.2系统参数及功能的设计3.2.1重要参数的设计根据查看资料和文献可知，变电室温度在25左右时最佳，这样的环境才可以保持变电站正常安全工作。故本系统的检测范围设计如下：温度范围：040；报警温度：50；3.2.2系统主要功能设计1.应用ZigBee技术对多个节点建立自组织网络2.温度监测系统：制作监测软件，在软件中可以自己设定报警温度的上下限。3.动态记录功能：连续如实的采集和记录温度的情况，通过上位机的实时显示和监测，并可通过曲线的形式更加直观的观察到温度的波动情况。4.超限报警功能：当温度超出正常数值的上下限时，可以实现报警。本系统可实时监测变电站温度，使管理更加高效，采集数据更加精确，监测数据更加直观，完全减免人力资源。 4 系统硬件电路设计传感器模块通用接口微处理器模块无线收发模块电源模块系统网络节点的硬件部分主要由无线收发模块、微处理器模块、数据采集模块以及其他一些外围电路和模块组成，如图4-1所示。图4-1 硬件连接图微处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理等；传感器模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种采集的信号转变为数字信号传送给微处理器模块；无线收发模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发数据；电源模块管理单元为各个设备提供电源服务。本设计的系统微处理器模块采用CC2430芯片，传感器模块以温湿度传感器SHT10为主要对象。接口设备有CC2430多功能仿真器以及UART串行接口。实物连接如图4-2所示。图4-2 实物连接图4.1主芯片CC24304.1.1 CC2430引脚功能CC2430引脚排列如图4-3所示。图4-3 CC2430引脚排列图1.I/O 端口线引脚功能16脚(P1_2P1_7)：具有4 mA输出驱动能力。 8，9脚(P1_0，P1_1)：具有20 mA的驱动能力。 1118脚(P0_0P0_7)：具有4 mA输出驱动能力。 43，44，45，46，48脚(P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0)：具有4 mA输出驱动能力。2.电源线引脚功能7脚(DVDD)：为I/O提供2.03.6 V工作电压。 20脚(AVDD_SOC)：为模拟电路连接2.03.6 V的电压。 23脚(AVDD_RREG)：为模拟电路连接2.03.6 V的电压。 24脚(RREG_OUT)：为 25，2731，3540引脚端口提供1.8 V的稳定电压。 25脚(AVDD_IF1)：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8 V电压。 27脚(AVDD_CHP)：为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V电压。 28脚(VCO_GUARD)：VCO屏蔽电路的报警连接端口。 29脚 (AVDD_VCO)：为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8 V电压。 30脚 (AVDD_PRE)：为预定标器、Div 2和LO缓冲器提供1.8 V的电压。 31脚 (AVDD_RF1)：为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8 V的电压。 33脚 (TXRX_SWITCH)：为PA提供调整电压。 35脚(AVDD_SW)：为LNA/PA交换电路提供1.8 V电压。 36脚(AVDD_RF2)：为接收和发射混频器提供1.8 V电压。 37脚(AVDD_IF2)：为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8 V电压。 38脚(AVDD_ADC)：为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8 V电压。 39脚(DVDD_ADC)：为ADC的数字电路部分提供1.8 V电压。 40脚(AVDD_DGUARD)：为隔离数字噪声电路连接电压。 41脚(AVDD_DREG)：向电压调节器核心提供2.03.6 V电压。 42脚(DCOUPL)：提供1.8 V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。 47脚(DVDD)：为I/O端口提供2.03.6 V的电压。3.控制线引脚功能10脚(RESET_N)：复位引脚，低电平有效。 19脚(XOSC_Q2)：32 MHz的晶振引脚2。 21脚(XOSC_Q1)：32 MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。 22脚(RBIAS1)：为参考电流提供精确的偏置电阻。 26脚(RBIAS2)：提供精确电阻，43 k，1%。 32脚(RF_P)：在RX 期间向LNA 输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA 的输入正向射频信号。34脚(RF_N)：在RX 期间向LNA 输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。 43脚(P2_4/XOSC_Q2)：32.768 kHz XOSC的2.3端口。 44脚(P2_4/XOSC_Q1)：32.768 kHz XOSC的2.4端口。4.1.2 CC2430介绍CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，得到了嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司的ZigBee协议栈、工具包和参考设计。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外的2.4GHz频率的其他设备。根据芯片内置内存的不同容量，提供给用户3个版本，即CC2430-F32/64/128，分别对应内置内存32/64/128KB。CC2430芯片延用了以往CC2430芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430芯片的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，它是目前国内外嵌入式射频芯片中应用比较广泛的一种，结合了市场领先的Z-StackTM、ZigBeeTM协议软件和其他Chipcon公司的软件工具，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。CC2430芯片的主要特性：在休眠模式时仅0.9uA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时低于0.6uA的流耗，外部的中断能唤醒系统；电源电压范围宽（2.03.6V）；具有电池检测器和温度传感器；支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取CSMA/CA功能；具有8路输入的814位ADC；高级加密标准（AES）协处理器；支持硬件调试；2个通用的I/O引脚，其中2个具有20mA的电流吸收或电流供给能力。4.2温湿度传感器SHT104.2.1 SHT10引脚功能SHT10温湿度传感器的引脚排列如下图所示。图4-4 SHT10引脚排列传感器的DATA引脚和SCK引脚连接到主机的P1.0和P1.1上，SCK引脚是传感器的时序输入，主机可通过P1.1口输出高低变换的时序控制传感器的工作；DATA引脚为传感器的双向数据输入输出引脚，用来向传感器发送命令或者读取采集的温度值。4.2.2 SHT10介绍SHT10是瑞士Sensirion公司推出的新型温湿度传感器。由于将传感器与电路部分结合在一起,因此，该传感器具有比其它类型的温湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。最后，传感器可直接通过I2C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。SHT10具有以下特点：1.接口简单，响应速度快；2.超低功耗（只有30uW），自动休眠；3.具有较高的稳定性和可靠性；4.全部校准，数字输出，不需要AD转换；5.具有较大的测量测量范围和较高的测量精度。4.3各模块电路设计4.3.1网络协调器电路设计串行接口CC2430电源模块上位机协调器节点由主芯片CC2430和串行接口组成，负责组网并接收所有节点的温湿度信息，并将接收到的数据全部上传至监控主机。硬件框图如下：图4-5 网络协调器硬件框图4.3.2终端节点电路设计温湿度传感器通用接口CC2430电源模块终端节点负责采集智能变电站各个节点的温湿度，并将数据传送给父节点，由CC2430主控芯片和SHT10温湿度传感器组成，硬件框图如下：图4-6终端节点硬件框图5 系统软件程序设计5.1系统软件平台本次设计的系统所需要的软件环境有：1.PC机操作系统WinXP；2.IAR Embedded Workbench开发环境3.烧写软件smartrf flash programmer；4.串口助手5.Labview监控程序。5.1.1 IAR Embedded Workbench开发环境图5-1 IAR Embedded Workbench开发环境打开一个新工程的界面，并添加新文件如图5-1所示。IAR Embedded Workbench是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务供应商IAR Systems开发的著名的C编译器，支持众多知名半导体公司的微处理器。是一个非常有效的集成开发环境(IDE)，它使用户充分有效地开发并管理嵌入式应用工程。作为一个开发平台，它具备任何在用户每天的工作地方所想要的特性。嵌入式IAR Embedded Workbench IDE提供一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，这些工具包括：1.高度优化的IAR AVR C/C+编译器；2.AVR IAR汇编器；3.通用IAR XLINK Linker； 4.一个强大的编辑器；5.一个工程管理器；6.命令行实用程序；6.先进的高级语言调试器。5.1.2 TI Smartrf Flash Programmer介绍本设计烧写CC2430程序的软件为TI公司提供smartrf flash programmer。该烧写器可以对CC2430的存储区进行查处、烧写校验等操作，而且对存储的地址单位的8个字节进行IEEE地址烧写。打开smartrf flash programmer，它的主界面如图5-2所示。图5-2 smartrf flash programmer主界面将仿真器与CC2430模块连接好，复位仿真器，Flash image为hex文件路径，选择找到已生成的hex文件，点击perform actions并将程序烧写进CC2431芯片。烧写成功后界面如图5-3所示。烧图5-3 烧写成功后界面5.1.3串口助手介绍本设计需要通过串口助手观察组网情况。将波特率配置为57600，十六进制显示和按十六进制发送前面的复选框给勾掉，串口号的选择根据连接情况而定，其他保持为默认值，确认串口线与PC机连接正确。串口助手界面如图5-4所示。图5-4 串口助手界面5.1.4 Labview介绍LabView是美国国家仪器公司基于G语言开发的一种虚拟仪器平台。提供了丰富的数据采集、分析和存储库函数以及包括DAQ, GPIB, PXI, VXI,RS-2321在内的各种仪器通信总线标准的所有函数功能8。同时LabVieW还具有直观的图形化开发环境，强大的数据处理功能，丰富的可视化显示功能，完备的仪器驱动程序，完善的外部接口和强大的网络功能等特点。本系统正是利用Labview的虚拟仪器技术对温湿度传感器的信号进行采集。将采集到的数据利用多个无线路由器传送到ZigBee网络协调器，通过协调器与PC监控计算机通讯，在LabView环境下实现对变电站中的温度信息进行监控。Labview程序框图和前面板分别如图5-5、图5-6所示。图5-5 Laview程序框图面板图5-6 Labview前面板5.2 模块程序设计流程5.2.1终端节点设计本温度检测系统中，终端节点由CC2430通过二线串行数字接口和SHT10进行通信。终端节点打开电源，然后初始化、尝试加入网络，当收到外部中断时给SHT10发送查询指令，等待SHT10数