基于ZigBee的六氟化硫无线传感器节点设计

1摘要ZIGBEE是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它依据IEEE802154标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。SF6气体以其优异的绝缘和灭弧特性，在电力系统中获得了广泛的应用。但在电力设备运行过程中SF6气体泄漏会对人体造成伤害，因此准确检测SF6气体浓度是电力设备安全可靠运行的保障。本系统采用ZIGBEE无线网路技术、利用声学检测法不仅成本低、精度高、易安装，而且适合变电站无值守的发展趋势。本系统利用CC2430无线单片机进行各种数据的采集、处理和ZIGBEE无线通信。它将一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核和一个高性能24GHZDSSS直接序列扩频射频收发器核心结合在一起，不仅功能强大而且处理速度快。ZIGBEE网络可以根据实际需要组建为星形、树形及网状网络，不仅可维护性强而且安全可靠、生存周期长。本系统SF6浓度检测精度高达到100PPM；根据测试区域的不同可以组成树状或星形等网络。关键字无线传感器，IEEE802154，ZIGBEE，超声检测，六氟化硫，CC24302目录第一章绪论111研究背景112SF6检测系统的研究现状113无线传感器网络的研究现状214论文的主要工作315本章小结3第二章ZIGBEE技术及应用421ZIGBEE技术概述422IEEE802154标准623ZIGBEE协议栈7231ZIGBEE协议栈结构7232ZIGBEE网络设备类型8233ZIGBEE网络拓扑结构924ZIGBEE的应用前景1025本章小结11第三章节点总体设计方案1131节点拓扑结构设计1132节点框架设计1233本章小结13第四章无线传感器节点的硬件设计1341CC2430控制模块13411CC2430片上系统13412CC2430的8051内核1342超声检测模块1443ZIGBEE射频模块16431CC2430射频工作方式16432IEEE802154调制方式1844RS232串口通信模块1945温度检测模块20451CC2430片内温度传感器20452误差补偿处理2146电源模块设计2147状态显示模块2248本章小结23第五章无线传感器节点的软件设计2351ZIGBEE软件集成开发平台选择2352ZIGBEE协议栈的选择24353硬件驱动程序设计2554网络配置2655节点软件流程2656超声检测气体浓度程序设计28561超声检测原理28562温度补偿31563静态误差补偿32第六章测试结果与分析3361六氟化硫气体浓度检测3362组网试验35第七章总结与展望36致谢37参考文献371第一章绪论11研究背景电力工业是国民经济的基础产业。近年来，随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，工业、农业以及人们的生活工作中对电的需求越来越多。我国的电力工业同时也呈现出前所未有的快速发展的景象。电网设备将向超高压、大容量方向发展的同时，SF6气体以其优异的绝缘和灭弧特性，在电力系统中获得了广泛的应用。SF6气体几乎成了中压、高压和超高压断路器和GIS（GASINSULATEDSWITCHGEAR，空气绝缘开关）中唯一的绝缘和灭弧介质，被广泛应用于电导设备系列，如电源开关、封闭式电容器组、变压器等1。但在运行过程中，SF6的气体泄漏不可避免2，纯净的六氟化硫气体是无毒的，但在大电流开断时，由于强烈的电弧放电会产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水份进一步反应3，从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时会出现更加严重的后果因。因此，对于运行中的设备，加强SF6气体检测，对于设备的安全运行和工作人员的人身安全均具有重要意义。六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则（GB/T89051996）规定，在电气设备充气前必须对SF6气体进行质量检测，而且对运行中的SF6气体必须进行质量监督和管理4。其中733中讲到在户内设备安装场所的地面层应安装带报警装置的氧量仪和六氟化硫浓度仪六氟化硫浓度仪在空气中六氟化硫含量达到1000V/V时发出报警如发现不合格时应通风、换气。电力安全工作规程中做了特别规定装有六氟化硫设备的配电装置室必须保证六氟化硫气体浓度小于1000V/V，除须装设强力通风装置外还必须安装能报警的氧量仪和六氟化硫气体浓度监测报警仪等。12SF6检测系统的研究现状世界范围内对六氟化硫的检测有气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光干涉法、高压放电法、红外线吸收法、电化学法、热导法，超声法等。但气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光干涉法不仅需要昂贵的仪器设备，而且要求操作者具有相当高的操作水平，阻碍了其在GIS室内六氟化硫泄漏检测领域的推广。而高压放电法、红外线吸收法、电化学法热导法等虽然能够构成2系统进行检测，但不同程度存在寿命短、稳定性差、有二次污染或检测精度低或无核心技术的知识产权等不足。超声法是利用超声在不同介质中具有不同传播速度的特性来检测六氟化硫的含量，精度高，稳定性好，并且不存在二次污染。而且容易实现系统的在线实时测量，适合在工业现场环境中使用。采用超声波测量法测量二元混合气体的原理是在样品气中传播的超声波速度可以表示为样品气体的平均分子量和温度的函数，而若样品气体为二元混合气体时，只要测定出样品气中的超声波传播速度与样品气的温度，就可以求得样品气的平均分子量，进而可以由此计算出样品气中任一种气体的浓度。13无线传感器网络的研究现状无线传感器网络5是当前国际上各受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。简单地说，无线传感器网络（WIRELESSSENSORNETWORK，WSN）就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限（指计算、存储和能源方面的限制）的嵌人式节点通过无线方式互连起来的网络。各节点之间通过专用网络协议实现信息的交流、汇集和处理，从而实现给定局部区域内目标的探测、识别、定位与跟踪。WSN是由大量密集部署在监控区域的智能节点构成的一种网络应用系统，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。传感器网络作为一种新型的信息获取系统，具有极其广阔的应用前景。在民用领域，传感器网络可用于探测、安全、空中交通管制、道路交通监视、工业生产自动化、分布式机器人、生态环境监测、住宅安全监测等方面。在军事领域，传感器网络主要应用于国土安全、战场监视、战场侦察、目标定位、目标识别、目标跟踪等方面。近年来,随着技术水平的大规模提高,当前对无线传感器网络的研究与开发已成为目前信息领域的一个热点,许多大学和研究机构已经加入到这方面的研究工作中来。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等6。加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法，并研制了一个传感器操作系统TINYOS7。加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，并研制了一个感知数据库系统TINYDB8。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题9。康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面研制了一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统，探讨了如何把分布式查询处理技术应用3于感知数据查询的处理。14论文的主要工作本实验室一直致力于SF6超声检测技术的研究，并成功研制出一种集中式的六氟化硫检测系统。该系统采用超声波测量法，通过特定的气路及气泵，将各个检测点的气体传送到集中检测器进行检测。不仅成本低、精度高而且智能化程度高，已经申请国家发明专利，并已授权。但此系统仍有自己的缺点，比如布线、铺设管道复杂度高，需要工作人员实时在现场监督等等。由于无线传感器网络的优点众多、应用前景广泛，本文作者立足于ZIGBEE平台，传承实验室特色，开发出一套超声SF6无线检测节点。该无线节点做了如下改进采用无线传输方式，采用两节AA级干电池供电，省去了布线、铺设管道的麻烦，安装简单方便，同时降低了生产成本。立足于ZIGBEE平台，网络的自组织、自愈合能力强，网络容量大、功耗低，在同一工作场所只需设立一个主节点即可对场所中所有节点实时在线检测。节点采用低功耗处理，使用CC2430无线单片机，功耗低、启动快、计算能力强，网络的功能强大、生存周期长。节点的体积小，由于无需布线和铺设管道，机动性较强，可以放置于任何偏僻或者狭小地点进行检测，安全性、可靠性更强。论文研究内容和章节安排如下第一章介绍了本课题的提出背景与现实意义以及六氟化硫检测系统及无线传感网络的研究现状，说明了本课题的主要工作；第二章简述了ZIGBEE网络技术的概况，ZIGBEE帧结构以及ZIGBEE的主要技术特点。第三章对系统各部分单元电路的设计作出了具体分析说明，其中重点介绍了存储模块、输入输出模块的设计以及通信模块的设计，分别给出了各单元具体电路；第四章；第五章说明了系统的调试流程和方法。包括如何建立调试环境，编写并安装引导器，对于驱动和应用层程序的做了重点介绍。对于在调试过程遇到的问题在相关章节进行了分析。第六章总结了本系统存在的问题和改进方案的设计。15本章小结本章介绍了本课题的研究背景与现实意义，以及六氟化硫检测系统和无线传感网络的研究现状。简单说明了本课题相对已存在系统的实用性和先进性以4及本论文的章节安排。第二章ZIGBEE技术及应用21ZIGBEE技术概述ZIGBEE是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZIGBEE是IEEE802154协议的代名词。这一名称来源于源自蜜蜂群BEE在发现花粉位置时，通过跳ZIGZAG形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。几种无线通信技术对比如图21。ZIGBEE技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802154（无线个人区域网）协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。ZIGBEE联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为HUB或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZIGBEE联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得15。5图21几种无线通信技术对比ZIGBEE的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方面1、低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。这是ZIGBEE的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WIFI可工作数小时。现在，TI公司和德国的MICROPELT公司共同推出新能源的ZIGBEE节点。该节点采用MICROPELT公司的热电发电机给TI公司的ZIGBEE提供电源。2、低成本。通过大幅简化协议不到蓝牙的1/10,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZIGBEE免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。3、低速率。ZIGBEE工作在20250KBPS的较低速率,分别提供250KBPS24GHZ、40KBPS915MHZ和20KBPS868MHZ的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。4、近距离。传输范围一般介于10100M之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到13KM。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。5、短时延。ZIGBEE的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15MS,节点连接进入网络只需30MS,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310S、WIFI需要3S。6、高容量。ZIGBEE可采用星状、片状和网状网络结构,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6上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。7、高安全。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AES128的对称密码,以灵活确定其安全属性。8、免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗ISM频段,24GHZ全球、915MHZ美国和868MHZ欧洲。22IEEE802154标准IEEE无线个人区域网PAN工作组的IEEE802154技术标准是ZIGBEE技术的基础。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备固定、便携或可移动的之间进行低数据率的传输。IEEE802154满足国际标准组织ISO开放系统互连OSI参考模式。它包括物理层、介质访问层MAC、网络层和高层。IEEE802154提供两种物理层24GHZ物理层和868/915MHZ物理层。这两种物理层都采用直接序列扩频DSSS技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。24G物理层的数据传输率为250KB/S，868/915MHZ物理层的数据传输率分别是20KBPS、40KBPS。两个物理层共有3个频带，被分为27个频率信道如图22。868/915MHZ物理层在86808686MHZ之间，支持一个信道，称为0号信道；在90209280MHZ之间。则支持10个信道，称为111号信道。24GHZ物理层在2424834GHZ之间支持16个信道，为1227号信道，每个信道的频带带宽达5MHZ，易于满足发射和接收滤波器的设计要求。图22ZIGBEE的物理信道IEEE802154MAC层的特征是联合，分离，确认帧传递，通道访7问机制，帧确认，保证时隙管理，和信令管理。MAC子层提供两个服务接入点SAP为高层提供两种服务MAC的数据服务通过通用接口子层接入；MAC管理服务通过管理实体接入。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。MAC帧结构的设计非常灵活，能够维持简单的协议运行，满足不同的应用和网络拓扑结构的需要。MAC帧被称为MAC协议数据单元，它由帧头、业务数据单元、帧尾组成，一个完整的MAC帧的长度不会超过127字节。它具有4种不同的帧形式信帧标、数据帧、确认帧和命令帧。只有数据帧和信标帧接受高层传来的信息；确认帧和命令帧由MAC层根据需要产生，用于MAC对等通信。IEEE802154的网络层不仅负责拓扑结构建立和维护、命名和绑定服务，协同完成寻址、路由及安全的任务，而且考虑到了降低能耗的问题，被设计成自组织、自维护的形式。IEEE8024标准支持多种网络拓扑结构，包括星型、树形以及新型的网状网络拓扑结构。应用设计的选择决定了拓扑结构类型，如PC外设，适合低延时星型连接，诸如涉及安全要求领域，适合大面积网状网络的覆盖。23ZIGBEE协议栈ZIGBEE协议栈ZSTACK由ZIGBEE联盟制定，是为ZIGBEE技术的核心，是开发ZIGBEE必须掌握的关键技术。231ZIGBEE协议栈结构ZIGBEE协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点SAP为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。8图23ZIGBEE体系结构模型ZIGBEE协议栈的体系结构如图23所示。它虽然基于标准的七层开放式系统互联OSI模型，但仅对那些涉及ZIGBEE的层予以定义。IEEE8021542003标准定义了最下面的两层物理层PHY和介质接入控制子层MAC。ZIGBEE联盟提供了网络/安全层和应用层AIL框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层APS、ZIGBEE设备对象ZDO和由制造商制订的应用对象。ZIGBEE技术的网络/安全层主要用于ZIGBEE的WPANWIRELESSPERSONALAREANETWORK的组网连接、数据管理以及网络安全等；应用层主要为ZIGBEE技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZIGBEE技术进行开发应用。232ZIGBEE网络设备类型在ZIGBEE网络中存在三种逻辑设备类型COORDINATOR协调器，ROUTER路由器和ENDDEVICE终端设备。ZIGBEE网络由一个COORDINATOR以及多个ROUTER和多个END_DEVICE组成。9图24简单的ZIGBEE网络示意图如图24简单的ZIGBEE网络中，黑色节点为COORDINATOR，红色节点为ROUTER，白色节点为ENDDEVICE。协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID也称之为PANID，即PERSONALAREANETWORKID，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定BINDINGS。注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器或者消失。由于ZIGBEE网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。路由器的功能主要是允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯。通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树群这种网络模式时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。通常，终端设备对存储空间特别是RAM的需要比较小。233ZIGBEE网络拓扑结构ZIGBEE协议中明确定义了三种拓扑结构星状，网状和串树状，如图25所示。根据网络中各个节点设备的功能的不同，可以分为全功能器件FFD和精简功能器件RFD两种。全功能设备FFD可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。其特点是附带由标准指定的全部802154功能和所有特征；更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用；也能用作终端设备。精简功能设备RFDRFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。其特点是附带有限的功能来控制成本和复杂性；在网络中通常用作终端设备；由于其结构和功能简单化，自然降低成本。10图25ZIGBEE的网络拓扑结构无论是哪一种网络拓扑结构，每个独立的网络都有一个唯一的标识符，即网络号PAN标识符。利用PAN标识符，采用16位的短地址码可以进行并且可激活网络设备问的通信。每个网络中都有唯一的一个协调器它相当于现在有线局域网中的服务器，具有对本网络的管理能力。网络中的FFD节点可作为路由器、协调器以及终端节点来使用，而RFD节点只能作为终端节点使用。在星状网络中，所有的节点只能与协调器进行通信，相互之间的通信是禁止的。网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。而在网状网络中，FFD节点之间是可以相互通信的，每个FFD节点都具有路由功能，RFD节点只与就近的FFD节点进行通信。网络可以通过多级跳的方式来通信，并且具有网络还具备自组织、自愈功能。24ZIGBEE的应用前景ZIGBEE并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场，它有着广阔的应用前景。目前ZIGBEE联盟包含130多家会员，包括EMBER、FREESCALE、HONEYWELL、MISTUBISHI、MOTOROLA、PHILIPS和SAMSUNG等公司。随着ZIGBEE规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于ZIGBEE的产品。其应用领域主要包括1、在工业领域ZIGBEE技术有助于改进公共设施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制，它也能够跟踪其它系统以实现预防性维护和性能11监控。2、在汽车上主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这不仅要求采用无线技术，而且要求内置的无线通信装置使用的电池寿命长，最好超过或等于轮胎本身的寿命；同时还应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。3、在家庭和楼宇自动化领域家庭自动化系统和楼宇自动化领域，作为电子技术的集成被得到迅速扩展。未来的家庭将会有50150个支持ZIGBEE模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械和其它家电产品中。4、在医学领域将借助于各种传感器和ZIGBEE网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。5、在精确农业农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的装置来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、PH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由ZIGBEE网络传递到中央控制装置供农民决策和参考，这样农民能够及早而准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。25本章小结本章阐述了ZIGBEE技术及IEEE802154标准及其相关应用，讨论了它们的关系和相对其它无线技术的优点，并对其应用领域和应用前景进行了分析与展望。ZIGBEE技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。第三章节点总体设计方案超声六氟化硫检测技术由于成本低，操作简单方便，安全可靠，测量精度高具有广阔的应用前景。本课题从用户的实际需求出发，根据当前的各项技术发展状况，将超声六氟化硫检测技术与ZIGBEE无线传感器网络技术相结合，设计出一种超声六氟化硫无线传感器节点。31节点拓扑结构设计12主节点路由节点路由节点子节点子节点子节点子节点子节点子节点子节点路由节点上位机图31无线传感器的网络拓扑结构基于ZIGBEE的六氟化硫无线传感器节点的拓扑结构如图31，此拓扑结构为树状网络。树状网络的特点是成本低，网络容量大，数据可接力传输，网络延伸范围广。六氟化硫检测场所一般为工厂、车间或变电站，它们共同的特点是空间较空旷，监测点数目较多，适合树状网络的构建。树状网络允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以大大减少网络的能耗，延长网络的生存周期。由于采集信息量小，实时性要求不高，ZIGBEE网络以其低速率，低功耗，低成本的特点，在六氟化硫气体浓度检测中更突出其优越性。无限传感器网络中的节点分为三种含有串口和射频模块的协调器节点（主节点），带有超声、温湿度监测的路由器节点和带有超声、温湿度监测终端节点（子节点）。协调器和路由器为全功能设备（FFD），具备维护网络的功能；终端节点属于精简功能设备（RFD），只具有数据采集功能。在此传感器网络中主节点主要复制网络的建立与维护，控制其他节点的工作状态以及将路由节点和子节点采集的数据上传至上位机；路由器不仅负责信息的传递、网络的维护，同时负责六氟化硫气体的浓度，温、湿度等数据的采集与上传；子节点则只负责六氟化硫气体的浓度，温、湿度等数据的采集与上传。32节点框架设计基于ZIGBEE的六氟化硫无线传感节点的组成框图如图32所示，主要包括图32无线传感节点结构框图超声波检测模块，温、湿度检测模块，ZIGBEE射频模块，RS232串口通信模块，电源管理模块和CC2430控制模块。无线传感器网络中的节点除协调器（主节点）13外，所有节点的结构组成都是相同的。因为协调器只负责网路的组建与维护和数据的上传，其他节点则主要负责数据的采集。CC2430控制模块是本无线传感节点的核心模块，负责各种数据的处理，控制其他模块的工作状态和ZIGBEE协议栈的运行。超声波检测模块则负责六氟化硫气体浓度的采集；温、湿度检测模块负责检测现场的温、湿度；状态显示模块负责无线传感节点的工作状态显示；ZIGBEE射频模块负责ZIGBEE无线通信；RS232串口通信模块主要用于安装调试时数据显示。33本章小结第四章无线传感器节点的硬件设计41CC2430控制模块控制模块是无线传感器节点的核心部分，结合无限传感器节点体积小、功耗低的特点以及数据的采集、处理功能要求，本无线传感器节点采用CC2430无线单片机作为主控芯片。411CC2430片上系统CC2430是CHIPCON公司推出的一颗真正的系统芯片SOCCMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZIGBEE为基础的24GHZISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能24GHZDSSS直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。电源适配器CC2430控制核心超声波检测模块温、湿度检测ZIGBEE射频模块RS232串口通信串行接口数据读写读、控制5V/3V供电电源监测FIFO、DMA状态显示模块14CC2430的尺寸只有77MM48PIN的封装，采用具有内嵌闪存的018微米CMOS标准技术。实现了数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器集成在同一个硅晶片上。CC2430采用增强型8051MCU、32/64/128KB闪存、8KBSRAM等高性能模块，并内置了ZIGBEE协议栈。加上超低能耗，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27MA或25MA，使得它可以用很低的费用构成ZIGBEE节点，具有很强的市场竞争力。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZIGBEE射频RF前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器ADC、几个定时器（TIMER）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WATCHDOGTIMER）、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路POWERONRESET、掉电检测电路BROWNOUTDETECTION，两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作，以及21个可编程I/O引脚。412CC2430的8051内核针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHZ。与标准8051内核的最大区别是每个时钟周期为一个机器周期而标准8051中是12个时钟周期为一个机器周期；除去被浪费掉的总线状态的方式。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得具有8倍的标准8051内核的性能。除了速度改进之外，CC2430的8051核心也包含了两个增强的架构第二数据指针；扩展了18个中断源。CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字节的片内FLASH块提供在电路可编程非易失性存储器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作一个32MHZ晶体振荡器，一个16MHZRC振荡器，一个可选的32768KHZ晶体振荡器和一个可选的32768KHZRC振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。实时时钟；上电复位；8通道的814位ADC如图41；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。15图41CC2430单片机ADC结构图一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802154MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部FLASH编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。CC2430包括四个定时器一个16位MAC定时器，用以为IEEE802154的CSMACA算法提供定时以及为IEEE802154的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。42超声检测模块本系统所采用的压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时即为超声波接收器。超声波发射电路如图45所示，它主要由反向器74LVC04和超声波换能器构成，由CC2430产生的40KHZ方波信号被送至电路入口，其中一路经反向器送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种方式可以提高超声波的发射强度。多个非门的使用在增大了发送功率的同时，也大大增加了对电源的干扰，据测试，在参考地上的纹波峰值最大达到了30MV。考虑到纹波会对接收部分造成影响，故我们在PCB的制作时加上了去耦电容和大面积覆铜，经测试该电路板16达到了功能要求的稳定性，如图47所示。图45超声波发射电路图46超声波接收电路超声波接收电路由图46所示，由于超声波发射功率极低，超声波发射和接收换能器间隔有5CM，接收换能器输出的正弦回波信号的峰峰值只有200300MV。本设计中，采用了放大倍数约10倍的放大电路，将峰峰值放到2V3V后，送给LM393转换为方波供MCU处理。17图46超声波检测模块电路43ZIGBEE射频模块431CC2430射频工作方式基于802154的CC2430无线收发模块如图48所示，无线核心部分为CC2420射频收发器，该模块内置于CC2430中。CC2430的无线接收器是基于低中频结构之上的，从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2MHZ的中频信号。后继的处理，如自动增益控制、最终信道选择、解扩以及字节同步等，都是以数字信号的形式处理。CC2430的数据缓冲区通过先进先出FIFO的方式来接收128位数据。使用先进先出读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。内存与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。CRC校验使用硬件实现。接收信号强度指标RSSI和相关值添加到帧中。在接收模式中可以用中断来使用清除通道评估CCA。CC2430的无线发送器是基于上变频器。接收数据存放在一个接收先进先出区别于发送先进先出的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过数模转换把数字信号转换成模拟信号发送出去。CC2430/CC2431无线部分主要参数如下工作频带范围240024835GHZ；采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式；数据速率达250KBPS，碎片速率达2MCHIP/S；采用OQPSK调制方式；高接收灵敏度94DBM；抗邻频道干扰能力强39DB；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源稳压器；采用低电压供电2136V；输出功率编程可控；18IEEE802154MAC硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、10BIT的CRC校验、电源检测、完全自动MAC层保护CTR，CBCMAC，CCM。图48CC2430无线射频模块结构框图射频的输入输出端口是独立的，他们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部TX/RX开关，其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。图49展示了CC2430无线射频模块的外围电路。电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。图49CC2430无线射频模块外围电路图432IEEE802154调制方式IEEE802154规范中规定使用DSSS调制方式，CC2430中的调制和扩频功能框图如图410所示。19图410CC2430调制和扩频框图每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首先传送。对于多字节域，贝是低位字节首先传送。每个符号映射到一个超过L6位的伪随机序列，即32位片码序列见表41。片码序列以2MCHIP/S的速率传送。对于每个符号争首先传送低位片码C。调制方式为偏移正交相移键控OQPSK，具有半正弦片的形状，相当于最小相位频移键控MSK。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相I信道和正交相位Q信道传送。每个信道占用半个片码偏移周期，参见图411。表4132位片码序列20图411传送符号0片码序列时的I/Q相位TC05USCC2430为IEEE802154的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为头帧数据帧校验帧；PHY层的帧格式为,同步帧PHY头帧MAC帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作,其RF的状态控制图如图412所示。图412RF状态控制图44RS232串口通信模块CC2430带有2个强大的支持多种串行通信协议的USART模块，它们能够分别运行于异步UART模式或者同步SPI模式。两个USART具有同样的功能，可以设置在分隔开的I/O引脚。在本节点中使用CC2430的UART0采用RS232通信方式，预留了一个串行通信接口，便于安装调试设备时，将调试信息显示于外接PC机上。电平转换电路如图413所示。21图413RS232电平转换电路45温度检测模块451CC2430片内温度传感器CC2430内部集成一模拟温度传感器。使用时只需将模拟温度传感器设置为AD源。CC2430具有8路814位的模数转换ADC，利用片内模拟温度传感器采集温度时，可以根据精度需要设置输出的数字量为814位，参考电压可以设置为外部电压也可以设置为内部的125V。模拟温度传感器输出电压与温度的关系如图414所示。图414模拟温度传感器输出电压与温度的关系22温度计算公式为TEMPERATURE（9）750243/452误差补偿处理CC2430片内温度传感器检测到的是芯片内部温度，如用其测量外部环境温度时，将受到许多因素的影响。此外，在相同环境下，不同模块输出的数字量是不相同的，要经过误差补偿处理才可以使用。CC2430温度传感器的误差来源主要有以下几种由于内部参考电压波动和单片机外围环境以及个体工艺不同引起的误差；由于增益不同引起的增益误差；由于工作时消耗功率不同自热效应引起的误差16。式1中743是数据手册给出的0时的输出电压743MV，但并不是每个模块在检测0时的输出电压都是743MV。温度补偿公式为OFFSETMVMEASUREDVOLTAGEAT25MVTEMPCOEFFMV/TEMPOUTPUTVOLTAGEAT0MV补偿公式是以在25时检测温度为例TEMP25，由数据手册可TEMPCOEFF245，OUTPUTVOLTAGEATO743，计算可得OFFSET值，如图415。最后的实际温度可由式10计算得出。TEMPERATURE10（750243/图415温度补偿示意图46电源模块设计本节点采用两节AA级干电池供电，在使用过程中电池的电压随使用的时间23而下降。电池的放电曲线如图416所示。当每个电池的工作电压下降到10V时，电池的电压会急剧下降。为保证节点的正常工作，本节点对电源电压进行实时监测，当电池电压不足时，发出警报，表示电池电量将耗尽请马上更换电池。图416碱性电池放电曲线CC2430可以将VDD/3作为AD输入源，将参考电压设置为125V，就可以很轻松的对电源电压进行监测。47状态显示模块由于节点的体积小功耗低，不宜使用LCD、数码管等显示设备。为了更好的显示节点的工作状态，本文特别设计了两个不同颜色LED显示节点的工作状态。不同颜色的LED显示的节奏、次数以及亮灭时间分别代表了不同的状态。为了安装维护时便于调试，更直观的显示更多的信息，在设计时预留了12864液晶显示接口，必要时安装液晶模块即可使用。图417LED状态显示2448本章小结第五章无线传感器节点的软件设计51ZIGBEE软件集成开发平台选择本设计中选用IAREMBEDDEDWORKBENCH（简称EW）作为ZIGBEE无线传感网络的软件集成开发平台。IAREMBEDDEDWORKBENCH的C/C交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW支持35种以上的8位/16位32位ARM的微处理器结构。EW包括嵌入式C/C优化编译器，汇编器，编辑器，库管理员，连接定位器，项目管理器和CSPY调试器。使用IAR的编译器能生成最优化最紧凑的代码，节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。IAREMBEDDEDWORKBENCH集成的编译器主要产品特征高效PROMABLE代码完全标准C兼容内建对应芯片的程序速度和大小优化器目标特性扩充版本控制和扩展工具支持良好便捷的中断处理和模拟瓶颈性能分析高效浮点支持内存模式选择工程中相对路径支持IAREMBEDDEDWORKBENCH是一套完整的集成开发工具集合包括从代码编辑器、工程建立到C/C编译器、连接器和调试器的各类开发工具。它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试过程中，仅仅使用一种开发环境界面，就可以完成多种微控制器的开发工作。在IAREMBEDDEDWORKBENCH，IARSYSTEMS还提供了VISUALSTATE和IARMAKEAPP两套图形开发工具帮助开发者完成应用程序的开发，它可以根据设计自动生成应用程序代码和自动生成驱动程序，使开发者摆脱这些耗时的任务同时保证了代码的质量。2552ZIGBEE协议栈的选择ZIGBEE系统软件是在厂商提供的ZIGBEE协议栈的基础上进行的的开发，这涉及与传感器的配合以及网络架构等多方面的问题。选取一个好的ZIGBEE协议栈不仅可以大大简化软件的开发进程、缩小开发周期，同时也可以降低生产是成本。目前世界上最大的两家ZIGBEE芯片提供商TI和都推出了符合各自生产的ZIGBEE芯片的协议栈。两者在功能上区别不大，但FREESCALE公司提供ZIGBEE的协议栈是收费的，不适合个人或者小团队开发使用；TI公司提供的ZIGBEE协议栈是完全免费的，而且对部分代码进行公开。较可见采用TI的ZIGBEE解决方案便有了很好的性价比。此外，还有一种协议栈因为代码完全公开，结构简单，功能较齐全受到广大软件开发人员的欢迎ZIGBEE精简协议栈，在本设计中使用的是精简版ZIGBEE协议栈。美国密西西比州立大学的ROBERTREESE教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（SUBSET）ZIGBEE协议栈。标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表2所列，可以看出，精简协议栈实现了ZIGBEE的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能，代码结构如表3所列，实际结构框架如图51。表51无限龙公司的精简协议栈与标准协议栈的区别26表52精简协议栈代码结构图51协议栈实际结构框架图53硬件驱动程序设计在精简版ZSTACK中，系统的硬件驱动主要放在了硬件抽象层HAL和板载外设层中（如图51），这样便可将软件编程从具体的硬件细节中分离开来。这里只要对HAL和BOARD层中原先的驱动函数进行适当的裁剪、修改就可以适用于本机点的外设了。在BOARD层中主要定义了外设的的上层驱动程序，如按键、液晶显示、串口、27LED等板载设备。LCD应用接口在本节点的设计中预留了一个12864字符型的LCD。LCD的初始化、写入数据等函数程序都集中在LCD128_64C文件中。LED应用接口本节点设计了两个不同颜色的LED以表示节点的工作状态，使用函数INIT_LED1、INIT_LED2分别对两个LED进行初始化操作。通过调用LED_ON或者LED_OFF指定LED的状态代表1或者2。KEY应用接口包括按键、开关和摇杆。使用函数INIT_JOYSTICK来初始化按键，使用函数GETJOYSTICKDIRECTION判断按键事件。在HAL层中主要定义了单片机内部模块的驱动程序，包括了以下设备的接口ADC、I/O、KEY、SLEEP，TIMER和UART等等。ADC应用接口8通道8、10、12和14位模数转换器。这里使用函数HALADCSAMPLESINGLEBYTEREFERENCE,BYTERESOLUTION,UINT8INPUT对ADC的通道，参考电压，精度等进行选择，使用HALGETADCVALUE读取特定通道特定位数的ADC的值。TIMER应用接口支持所有的4个定时器，其中2个是8位的，2个是16位的。这里主要使用HALINITMACTIMER来初始化定时器2。UART应用接口本节点只用到了UART0接口。使用UART_SETUPUART,BAUDRATE,OPTIONS函数可以对UART的端口号、波特率等进行设置。此外，在HAL层中对系统的时钟选择，休眠模式等函数进行了定义。方便用户对系统的功耗或者工作频率等进行设定。54网络配置ZIGBEE网络的建立以及网络设备的加入，都必须对网络的信道以及PANID进行配置。通过设置变量LRWPAN_DEFAULT_CHANNEL_MASK的值就可以选择不同的信道。通过设定LRWPAN_DEFAULT_PANID的值就可以配置节点的PANID。PANID的配置遵循如下的规则。如果PANIDOXFFFF并且设备为协调器，那么设备将用IEEE地址的最后两字节作为PANID；如果PAN1DOXFFFF并且设备为路由器或终端设备，设备将加入任一个存在的PAN；如果PANID0XFFFF并且设备为协调器，设备将使用设置的值作为PANID；如果PANIDOXFFFF并且设备为路由器或是终端设备，设备将只加入有该PANID的PAN。55节点软件流程在节点程序设计中，主要是通过在程序中设置宏定义来设置节点的类型。节点上电后，首先对各种寄存器及外围设备进行初始化，打开全局终端。其次，判断节点类型如果定义了LRWPAN_COORDINATOR，则该节点设置为协调器，开始创建、维护网络，等待其他节点的加入；如果定义了LRWPAN_ROUTER，则该节28点设置为路由器，开始加入网络，负责网络的维护、数据的采集和信息的传递；如果定义了LRWPAN_RFD，则该节点被设置为终端设备，开始加入网络，负责数据的采集。最后，网络中的各种节点统一受协调器节点的支配。主程序流程图如图52所示。开始初始化各模块和端口（I/O、ADC、TIMER、CLOCK）开全局中断是否为协调器YN创建ZIGBEE网络是否由节点加入N配置子节点信息Y向网络中的节点发送命令是否需要ACK返回等待ACK返回Y返回N加入网络是