基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)</p><p>　　作 者： 學(xué) 號： </p><p>　　學(xué) 院： </p><p>　　專 業(yè)： </p>

2、<p>　　題 目： 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng) </p><p>　　指導(dǎo)者： </p><p>　　(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))</p><p>　　評閱者：

3、 </p><p>　　(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))</p><p>　　2011 年 6 月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要</p><p><b>　　目 錄</b>&l

4、t;/p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要i</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要ii</p><p>　　第1章 緒 論- 1 -</p><p>　　1.1 概述- 1 -</p><p>　　1.1.1 課題研究背景、目的與意義- 1 -</p><p>

5、;　　1.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析- 1 -</p><p>　　1.2 課題研究內(nèi)容與擬解決的關(guān)鍵問題- 2 -</p><p>　　第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)- 4 -</p><p>　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)- 4 -</p><p>　　2.1.1通信體系結(jié)構(gòu)- 4 -</p>&

6、lt;p>　　2.1.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)- 5 -</p><p>　　2.2ZigBee技術(shù)- 7 -</p><p>　　2.2.1ZigBee技術(shù)概述- 7 -</p><p>　　2.2.2 ZigBee技術(shù)的特點- 7 -</p><p>　　2.2.3ZigBee技術(shù)與其它接入技術(shù)的比較- 7 -</p

7、><p>　　2.3GPRS技術(shù)- 9 -</p><p>　　2.3.1GPRS技術(shù)概述- 9 -</p><p>　　2.3.2GPRS技術(shù)的特點- 9 -</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的總體設(shè)計- 11 -</p><p>　　3.1系統(tǒng)的總體設(shè)計原則- 11 -</p><

8、p>　　3.2 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢- 11 -</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)- 12 -</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計- 13 -</p><p>　　4.1采集節(jié)點的硬件設(shè)計- 13 -</p><p>　　4.1.1CC2430主要特點- 13 -</p><p>

9、　　4.1.2CC2430外圍電路設(shè)計- 14 -</p><p>　　4.1.3采集節(jié)點的電路設(shè)計- 14 -</p><p>　　4.2 匯聚節(jié)點的硬件設(shè)計- 15 -</p><p>　　4.2.1 MC39i芯片介紹- 15 -</p><p>　　4.2.2 匯聚節(jié)點的電路設(shè)計- 16 -</p>

10、<p>　　4.3接收終端的設(shè)計- 17 -</p><p>　　4.4電源模塊的設(shè)計- 17 -</p><p>　　4.5串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計- 18 -</p><p>　　第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計- 20 -</p><p>　　5.1系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計- 20 -</p><p>　　

11、5.2采集節(jié)點的軟件設(shè)計- 21 -</p><p>　　5.3匯聚節(jié)點的軟件設(shè)計- 22 -</p><p>　　總結(jié)與展望- 23 -</p><p>　　參考文獻- 24 -</p><p>　　致 謝- 25 -</p><p><b>　　第1章 緒 論</b><

12、;/p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　1.1.1 課題研究背景、目的與意義</p><p>　　電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負著電壓、電流的轉(zhuǎn)換以及功率傳輸?shù)娜蝿?wù)，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，可以形象地將電力變壓器視為電網(wǎng)的“心臟”。因此，這對長期運行的電力變壓器來說，確保它的運行

13、可靠性是一個重要的問題。電力變壓器制造材料的改進、設(shè)計方法和制造技術(shù)的提高已經(jīng)在一定程度上地提高了電力變壓器運行的可靠性。但是，由于電力變壓器的運行環(huán)境以及現(xiàn)在的故障診斷手段還不夠完善、評定電力變壓器設(shè)備絕緣狀態(tài)可靠性的可信度還不高，以至于電力變壓器出現(xiàn)故障時，不能準確地判斷出電力變壓器的故障，所以，電力變壓器的故障概率是比較高的。在220kV及以上的發(fā)電廠變電站停運和局部電網(wǎng)解列事故中,變壓器故障造成的電網(wǎng)故障所占比例較大,隨著變電站

14、自動化等級的提高,變壓器在線監(jiān)測研究成為電力設(shè)備在線監(jiān)測體系中的重要組成部分[1].</p><p>　　1.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析</p><p>　　早在20世紀60年代，國內(nèi)就開始了對電力變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)，國內(nèi)有些企業(yè)也涉足此類系統(tǒng)的研究工作，但是由于技術(shù)和成本等原因都鮮見成功[2]。到20世紀90年代后期，計算機、通信技術(shù)的迅速發(fā)展促進了監(jiān)測系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用。

15、國內(nèi)各企業(yè)也在研究和開發(fā)方面有了新的進展。迅速發(fā)展起來的微波技術(shù)，可以很容易將數(shù)據(jù)傳送到千里之外，電力技術(shù)人員也希望利用這一技術(shù)來實現(xiàn)生產(chǎn)的遠程監(jiān)測。利用微波技術(shù)來進行遠程通信不僅速度快，而且傳送距離遠。但是，在電力基地實現(xiàn)這一技術(shù)就必須利用衛(wèi)星通道或較大功率的微波站，其投資成本非常大，暫不現(xiàn)實。隨著小功率微波通信技術(shù)的發(fā)展，使得小范圍內(nèi)的電力遠程監(jiān)測成為可能，而且在國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)利用小功率微波通信設(shè)備進行遠程監(jiān)測的系統(tǒng)。小功率微波通信成

16、本大大降低，在我國內(nèi)地少數(shù)電力平臺上已經(jīng)開始采用這種設(shè)備進行監(jiān)測。但由于這種監(jiān)測系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，盜竊破壞嚴重，產(chǎn)品化程度差等原因，這種技術(shù)沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用[3]。</p><p>　　同期，在20世紀60年代，國外一些國家就開始了對在線監(jiān)測技術(shù)的研究。經(jīng)過40多年的發(fā)展，在線監(jiān)測已從理論研究發(fā)展到了實用階段[4]。國外學(xué)者在電力變壓器在線監(jiān)測以及故障診斷方面，在線監(jiān)測主要包括：油中氣體含量在線監(jiān)測（油色譜

17、在線分析）、變壓器繞組局部放電在線監(jiān)測、變壓器繞組變形在線監(jiān)測等等，其中最成熟也最主要使用的方法是油中氣體含量在線監(jiān)測。公認比較有效的方法為變壓器油中氣體的在線監(jiān)測。因此，基于油中溶解氣體的變壓器在線監(jiān)測技術(shù)在變壓器在線監(jiān)測中占有重要的地位[5]。</p><p>　　許多國家(如德國、美國、日本及加拿大等)都對油中溶解氣體監(jiān)測方面進行了研究探討，并生產(chǎn)了不少監(jiān)測設(shè)備，如三菱TCG自動監(jiān)測儀、東芝在線三組分色譜儀

18、和加拿大H20lR型監(jiān)測儀、美國的TrueGas等。在國內(nèi)也相繼開發(fā)了一些類似的設(shè)備，如東北電力試驗研究院于1994年研制的BSZ大型變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置、北京電子管廠生產(chǎn)的BGY一1型變壓器在線監(jiān)測裝置的改進型裝置—TRAN型變壓器早期故障在線監(jiān)測儀、中國電力科學(xué)研究院研制的DDG一 1000變壓器油中溶解氫氣在線檢測儀等。這些裝置按不同的標準可以有多種分類方式[6]，其功能由測單組分氫氣、測可燃氣總量發(fā)展為分別監(jiān)測多組分的單獨含

19、量的設(shè)備。</p><p>　　變壓器局部放電是反映高壓電氣設(shè)備狀態(tài)的一個重要標志。因為很多故障均產(chǎn)生局部放電。一般情況下，如果變壓器油中發(fā)現(xiàn)了特征氣體，則表明其內(nèi)部已經(jīng)存在比較嚴重的局部放電。目前廣泛采用的是脈沖電流法。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等的不斷發(fā)展，局部放電的檢測向超高頻和超寬頻方向發(fā)展。同時電力變壓器局部放電超聲檢測也有很好的應(yīng)用前景，光纖技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用在局部放電超聲探測上[7]。國內(nèi)外很多專家在變

20、壓器局部放電的在線監(jiān)測及故障診斷上進行了深入的研究[8]。</p><p>　　變壓器繞組熱點溫度的測量方法包括直接測量法和間接計算法。直接測量法是在繞組靠近導(dǎo)線部分埋設(shè)傳感器，由溫度測量儀測溫。間接計算法是根據(jù)假設(shè)的變壓器熱模型，結(jié)合各國實踐經(jīng)驗來估算變壓器繞組的熱點溫度?，F(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)把人工智能技術(shù)應(yīng)用于變壓器繞組熱點的在線監(jiān)測，如陳津，高立桐等人研制了智能型變壓器溫度保護裝置[9]。</p>

21、<p>　　但由于電力變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且電力變壓器的故障往往由多種原因引起，不同故障所表現(xiàn)出的征兆有時具有相似性、隨機性、人為的干擾因素以及診斷設(shè)備和手段存在的誤差等因素，因此，常規(guī)的電力變壓器故障診斷方法遠遠不能滿足現(xiàn)代故障診斷的要求[10]。</p><p>　　1.2 課題研究內(nèi)容與擬解決的關(guān)鍵問題</p><p>　　如圖1.1所示是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)系

22、統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(sensorNode)、匯聚節(jié)點 (sinkNode)和管理節(jié)點。大量的傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域(SensorField)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。</p><p>　　本課題的目標是實現(xiàn)如圖1

23、-1所示的基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電力變壓器的監(jiān)測。</p><p>　　圖 1-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖</p><p>　　論文一共分為五章，具體的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排如下:</p><p>　　第一章:緒論。介紹電力變壓器在線監(jiān)測的意義，國內(nèi)外電力變壓器監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合我國目前的環(huán)境提出適合我國使用的電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)。</p

24、><p>　　第二章:介紹了設(shè)計系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)信息，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡單介紹，ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)的工作原理和特點。 </p><p>　　第三章:整體給出系統(tǒng)的設(shè)計思路，并結(jié)合總體設(shè)計原則給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　第四章：系統(tǒng)的硬件設(shè)計，介紹系統(tǒng)中各主要模塊的硬件設(shè)計，如采集節(jié)點、匯聚節(jié)點、電源模塊、串口轉(zhuǎn)換電路等。</p&g

25、t;<p>　　第五章:給出系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程，包括了系統(tǒng)的總體設(shè)計流程、采集節(jié)點的軟件設(shè)計流程和匯聚節(jié)點的軟件設(shè)計流程。 </p><p>　　第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)</p><p>　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　目前，國際上具有代表性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)分為兩類，一類是基于分簇的層次結(jié)構(gòu)模型;另外一

26、類是水平結(jié)構(gòu)。分簇層次結(jié)構(gòu)可以有效均衡各傳感器網(wǎng)絡(luò)負載，避免路由建立時出現(xiàn)的泛洪問題，具有一定的發(fā)展?jié)摿ΑＵ麄€網(wǎng)絡(luò)中有若干無線節(jié)點組成，每個無線節(jié)點都具有感知、路由和動態(tài)自組織等功能，為了能夠?qū)⑦@些節(jié)點的感知信息有效地傳送給監(jiān)控中心，系統(tǒng)將在一定區(qū)域內(nèi)的節(jié)點分為一簇，簇與簇之間通過簇頭轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行簇間信息的轉(zhuǎn)發(fā)，簇頭轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點再將感知信息通過有線網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心。一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)建包括分布式傳感器節(jié)點、接收和發(fā)送器、互聯(lián)

27、網(wǎng)以及用戶接口界面等。其中傳感器節(jié)點是基本和核心單元，負責(zé)傳感和信息預(yù)處理，響應(yīng)監(jiān)控主機的指令和發(fā)送數(shù)據(jù)。每個節(jié)點都能收集數(shù)據(jù)并利用自帶的處理器對感知數(shù)據(jù)進行初級處理，由于節(jié)點功率的限制，其傳遞距離很有限，節(jié)點會尋找臨近的節(jié)點作為傳輸中繼，將相關(guān)信息通過多跳中繼發(fā)送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是一種特殊節(jié)點，擁有相對較強的處理器和較大的存儲器空間，具有更大的處理能力和發(fā)送范圍，功能是先對網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)進行初步處理(如計算、壓縮、去

28、除冗余等)，然后與外部網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　通信體系結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用分層的通信體系結(jié)構(gòu)，通信體系結(jié)構(gòu)由通信協(xié)議、WSN管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分組成，該結(jié)構(gòu)清晰地闡述了傳感器網(wǎng)絡(luò)組成中各部分的邏輯關(guān)系和研究的主要內(nèi)容。</p><p><b>　　1 通信協(xié)議</b>&l

29、t;/p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究包括:(l)研究現(xiàn)有通信協(xié)議的性能，分析各種現(xiàn)有協(xié)議的優(yōu)缺點并確定它們對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性:(2)以數(shù)據(jù)為中心的新的通信協(xié)議的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、動態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路徑重建技術(shù)的研究和面向應(yīng)用的能源有效性路由算法的研究等。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分為四層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和高層的應(yīng)用。建議增

30、加的傳輸層的作用是確保與其他外部網(wǎng)絡(luò)的連接。物理層主要用于提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的物理通道，完成信道能量檢測、頻率選擇以及實現(xiàn)信號調(diào)制解調(diào)等功能?？梢圆捎脽o線射頻傳輸技術(shù)，如正交頻分復(fù)用(OFDM)、超寬帶(UWB)、多輸入多輸出(MIMO)及碼分多址(CDMA)技術(shù)等，也可以采用傳統(tǒng)的紅外線傳輸技術(shù)。物理層使用動態(tài)功率管理、調(diào)整信號的頻率和調(diào)制方法、動態(tài)電壓調(diào)度等途徑來滿足WSN的要求。數(shù)據(jù)鏈路層是建立可靠的點到點或點到多點的通信鏈路，保

31、證物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)盡量正確，同時提高系統(tǒng)頻譜效率。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括分組路由、擁塞控制，完成路由的發(fā)現(xiàn)和維護等。傳輸層主要用于提供可靠的額外開銷合理的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。應(yīng)用層提供各種具體的增值業(yè)務(wù)應(yīng)用，同時也提供時間同步和節(jié)點定位功能?？紤]通信效率、實時性等因素，協(xié)議結(jié)構(gòu)可簡化(例如省去傳輸層)。圖中任務(wù)管理、功率管理和移動管理是規(guī)劃和實現(xiàn)協(xié)議棧時須重點考慮的問題，尤其需要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源有限這一特點對協(xié)議進行優(yōu)化設(shè)計。</p

32、><p><b>　　2 WSN管理</b></p><p><b>　?。?）能源管理</b></p><p>　　負責(zé)控制節(jié)點對能量的使用。在WSN中，電池供給的能源是有限的，為了延長網(wǎng)絡(luò)壽命，各個節(jié)點都必須有效地利用能源。</p><p><b>　　（2）拓撲管理</b>&

33、lt;/p><p>　　負責(zé)保持網(wǎng)絡(luò)連通和有效傳輸數(shù)據(jù)。由于大量傳感器節(jié)點密集的部署于監(jiān)控區(qū)域，為了節(jié)約能源，延長WSN的生存時間，部分節(jié)點將按照某種規(guī)則進入休眠狀態(tài)。拓撲管理的目的就是在保持網(wǎng)絡(luò)連通和數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)那疤嵯?，協(xié)調(diào)WSN中各個節(jié)點的工作和休眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　?。?）網(wǎng)絡(luò)管理</b></p><p>　　負責(zé)網(wǎng)絡(luò)

34、維護、診斷，并向用戶提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)接口，通常包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理和故障處理等功能。需要根據(jù)WSN的能量受限、自組織、節(jié)點易損壞等特點設(shè)計新型的分布式管理機制。</p><p>　?。?）Qos支持與網(wǎng)絡(luò)安全機制</p><p>　　QoS是指為應(yīng)用程序提供足夠的資源使它們以用戶可以接受的性能指標工作。通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層都可以根據(jù)用戶的需求提供Qos支持。W

35、SN多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是重要的研究內(nèi)容。由于WSN中，傳感器節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)性以及信道的不穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的安全機制無法適用，因此需要設(shè)計新型的網(wǎng)絡(luò)安全機制來滿足WSN的應(yīng)用。</p><p><b>　　3 應(yīng)用支承技術(shù)</b></p><p><b>　?。?）時間同步</b></p><p>　　

36、在WSN中單個節(jié)點的能力有限，需要大量的節(jié)點相互配合協(xié)調(diào)工作，這些協(xié)同工作的節(jié)點需要全局同步的時鐘支持。目前對WSN時間同步的研究主要集中在兩方面:一是盡量減少同步算法對時間服務(wù)器及信道質(zhì)量的依賴，縮短可能引起同步誤差的“關(guān)鍵路徑”;二是從能耗角度，研究節(jié)能高效的同步算法。</p><p><b>　?。?）節(jié)點定位</b></p><p>　　節(jié)點定位是指確定每個傳

37、感器節(jié)點在WSN系統(tǒng)中的相對位置或絕對的地理坐標。節(jié)點定位功能在許多應(yīng)用中都起著至關(guān)重要的作用。如在軍事偵察、火災(zāi)監(jiān)測等應(yīng)用中，傳感器節(jié)點需要根據(jù)自身的位置信息來確定目標的位置;另外，通過節(jié)點定位，WSN系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點來完成任務(wù)，這種工作模式可以大大降低整個系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的生存時間。</p><p>　?。?）應(yīng)用開發(fā)環(huán)境層</p><p>　　為各種傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

38、系統(tǒng)的開發(fā)提供有效的軟件開發(fā)環(huán)境和軟件工具。</p><p><b>　?。?）應(yīng)用層</b></p><p>　　由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，研究各種傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，如作戰(zhàn)環(huán)境偵查與監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、民用和工程設(shè)施安全監(jiān)測系統(tǒng)等。</p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)</b></p>

39、<p>　　常見的拓撲結(jié)構(gòu)分類方法:星型結(jié)構(gòu)(star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)及混合網(wǎng)(星狀網(wǎng)十網(wǎng)狀網(wǎng))。每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有自身的優(yōu)、缺點，可以根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用要求來選擇不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)?；镜男切屯負浣Y(jié)構(gòu)(如圖2-1所示)是一個單跳 (single一hop)系統(tǒng)，支持點對點、點對多點通信。中心節(jié)點為ZigBee協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點為ZigBee終端設(shè)備;網(wǎng)絡(luò)中所有無線傳感器節(jié)點將中心節(jié)點作為一個中間點，都與中心節(jié)點進

40、行雙向通信，相互之間并不傳輸數(shù)據(jù)或命令。在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，星狀網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點與基站間的傳輸距離有限，通常ISM頻段的傳輸距離為10～30米，適合圓形分散、距離較近的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。</p><p>　　圖2-1 星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲</p><p>　　網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)是多跳(Multi一hop，即一次中繼)系統(tǒng)，采用多跳式路由通信，所有無線傳感器節(jié)點都相同，可以直接互相通信，也可與中心節(jié)點進

41、行數(shù)據(jù)傳輸和相互傳輸命令。由于每個傳感器節(jié)點都有多條路徑到達中心節(jié)點或其它節(jié)點，因此具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。這種多跳系統(tǒng)比星型結(jié)構(gòu)的傳輸距離遠得多，可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠比較分散的結(jié)構(gòu)，但功耗也更大，因為節(jié)點必須一直“監(jiān)聽”網(wǎng)絡(luò)中某些路徑上的信息和變化。如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　混合網(wǎng)力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔和低功

42、耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點。在混合網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和中繼器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而傳感器節(jié)點則在它們周圍呈星狀分布。中繼器擴展了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，同時提供了容故障能力。由于無線傳感器節(jié)點可與多個路由器或中繼器通信，當某個中繼器發(fā)生故障或某條無線鏈路出現(xiàn)干擾時，網(wǎng)絡(luò)可在其它路由器周圍進行自組[12]。</p><p><b>　　ZigBee技術(shù)</b></p><p>

43、;　　ZigBee技術(shù)概述</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布加入ZigBee聯(lián)盟，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標準。ZigBee聯(lián)盟負責(zé)制作網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議，目前標準制定工作己完成。ZigBee協(xié)議比藍牙、高速率個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或802.llx無線局域網(wǎng)更簡單實用。Zig

44、Bee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作HomeRF Lite或FireFly無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。</p><p>　　ZigBee傳輸距離為10～100m范圍內(nèi)，使用頻段為免費的2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)，傳輸速率為20～250Kb/s，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備Master/Slave屬性，并可達到雙

45、向通信功用[13]。</p><p>　　2.2.2 ZigBee技術(shù)的特點</p><p>　　ZigBee是為建立一種可靠的、高性價比的、低功耗的，可以實現(xiàn)監(jiān)測和控制的無線網(wǎng)絡(luò)而制定的，是一套完整的、開放的、全球統(tǒng)一的標準，是被全球公認的具有互操作性的解決方案，適用于家庭自動化與遠程控制領(lǐng)域，，技術(shù)優(yōu)勢包括以下幾個方面:</p><p>　?。?） 協(xié)議簡單。

46、ZigBee采用基本的主一從結(jié)構(gòu)配合靜態(tài)的星型網(wǎng)絡(luò)，因此更加適用于使用頻率低、傳輸速率低的設(shè)備;</p><p>　　（2） 功耗低。由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗也較低，并且采用了多種節(jié)能方式，電池的使用時間最終決定于不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，通常情況下，ZigBee兩節(jié)五號電池可以支持長達6個月到2年的使用時間;</p><p>　?。?） 時延短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型

47、值為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms，這對某些時間敏感的信息至關(guān)重要，另外還節(jié)省了能量消耗，能夠滿足大多數(shù)情況下應(yīng)用的時延要求;</p><p>　　（4） 可靠。由于ZigBee采用了防碰撞機制，同時對需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)采用預(yù)留專用時隙的策略，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。在接入層采用確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接收點的確認信息，才可發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包;</p><

48、p>　?。?） 成本低。低數(shù)據(jù)速率、簡單的協(xié)議和小的存儲空間大大降低了ZigBee的成本，每塊芯片的價格約為2美元，另外ZigBee協(xié)議不需要支付專利費;</p><p>　　（6） 網(wǎng)絡(luò)容量大。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備，也就是說每個ZigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò);</p><p>　?。?） 安全。

49、ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES一128加密算法，同時不同的應(yīng)用可以依據(jù)各自的具體要求靈活確定其安全屬性;</p><p>　　（8） 工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)及gl5MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段[14]。</p><p>　　ZigBee技術(shù)與其它接入技術(shù)的比較</p><p>　　目前，市場上的短距

50、離無線通信技術(shù)主要有藍牙、無線局域網(wǎng)WiFi和一些專用標準(如Adhoc網(wǎng))的產(chǎn)品。一些公司為開拓市場和應(yīng)用領(lǐng)域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術(shù)標準，如無線USB、超寬帶通信UWB和WiMax等。下面介紹幾種常見技術(shù)并針對WSN的應(yīng)用做相關(guān)比較。</p><p>　?。?）藍牙(BlueTooth)</p><p>　　藍牙主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接，適合于語音業(yè)務(wù)和需要

51、更高數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)，如移動終端、耳機、PDA聯(lián)網(wǎng)等。它的工作頻率為2.4GHz，能夠在10m半徑范圍內(nèi)實現(xiàn)單點對多點的無線數(shù)據(jù)和聲音傳輸。Bluetooth列入了 IEEE802.15.1，規(guī)定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。為語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供25OkB系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外，Bluetooth對每個Piconet(微微網(wǎng))有只能配置7個節(jié)點，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)

52、用。藍牙技術(shù)發(fā)展從1999年起歷經(jīng)多年，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。目前主要應(yīng)用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領(lǐng)域，且互通性方面也存在問題。與藍牙技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的傳輸速率要低一些(ZigBee的峰值速率為250kbps，藍牙的峰值速率為750kbps)，但zigbee的待機功耗比藍牙低l到2個數(shù)量級(ZigBee為3一40uA，藍牙為200uA)。</p>&l

53、t;p><b>　?。?）WiFi</b></p><p>　　Wi-Fi（(wireless Fidelity，無線高保真)也是一種無線通信協(xié)議。IEEE802.H規(guī)范提出的主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技術(shù)標準，其工作頻率也是2.4GHz。IEEE802.II流行的幾個版本包括：（a）在5一SGHz波段帶寬為54MBps；（b）波段Z14GHz帶寬為llMBp；

54、（c）波段Z14GHz帶寬為22MBPs。這種復(fù)雜性增加了用戶選擇標準化無線平臺的難度。WIFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領(lǐng)市場:采用IEEE802.llb標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為nMbPs，并可根據(jù)信號強弱把傳輸速率調(diào)整為5.SMbps、ZMbps和IMbps;采用最新的802.119時，速率可達54MbPs，是目前應(yīng)用最廣的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。wi一Fi規(guī)定了協(xié)議的物理(PHY)層和媒體

55、接入控制(MAC)層，并依賴TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價的，因此大多數(shù)便攜Wi一Fi裝置都需要常規(guī)充電，這些特點限制了它在工業(yè)場合的推廣和應(yīng)用。</p><p>　　（3）紅外通訊技術(shù)（IrDA）</p><p>　　IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)。IrDA標準的無線設(shè)備傳輸速率已從115.2kbPs逐步發(fā)展到4MbPs、16MbPs。支持它的軟

56、硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備上被廣泛使用。具有體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、成本低廉等特點。與ZigBee相比，IrDA的不足有:(a)只能實現(xiàn)點到點連接，不能同時鏈接多臺設(shè)備，無法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，而ZigBee至少可以同時鏈接255臺設(shè)備。(b)IrDA對方向性要求很高，垂直15度角才能發(fā)收信號，ZigBee則利用無線電波具有全向性。（c）IrDA必須在視距范圍內(nèi)定向傳輸，中間不能出現(xiàn)阻擋，同時要求通信設(shè)備的位置相對固定，無法

57、用于移動設(shè)備，而ZigBee可以穿透如公文包、衣服口袋甚至墻壁之類的障礙物。(d)IrDA用于雙向數(shù)據(jù)傳輸時，通信距離最大不能超過lm，而ZigBee至少可達到10m以上。(e)紅外技術(shù)的標準目前全球并不統(tǒng)一，不同設(shè)備之間的互操作性也不如ZigBee。</p><p><b>　?。?）無線USB</b></p><p>　　借助USB在PC上的廣泛應(yīng)用，無線USB也

58、受Intel、HP、微軟等幾家PC領(lǐng)域大公司的力推，已于近期制定了無線USB規(guī)范。使用WIMedia聯(lián)盟的MB一OFDM超寬帶M^C和PHY層，通信距離在3一10m，最高速率在480Mbps，有望短期內(nèi)在PC周邊設(shè)備的無線連接上得到大量應(yīng)用.</p><p><b>　?。?） UWB</b></p><p>　　UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術(shù)。由于未采用通常

59、無線收發(fā)中的載波調(diào)制技術(shù)，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術(shù)陣營競爭技術(shù)標準，預(yù)期的通信距離5～10m，速率甚至可高達IGbPs，非常適合于家用消費電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。</p><p><b>　　GPRS技術(shù)</b></p><p><b>　　GPRS技術(shù)概述</b><

60、/p><p>　　GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù))是一組采用分組交換的高效率數(shù)據(jù)傳輸方式，是一種新的承載業(yè)務(wù)，由原有的GSM系統(tǒng)發(fā)展而來，主要是為GSM用戶以分組形式提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM相同的突發(fā)結(jié)構(gòu)、相同的頻帶、無線調(diào)制標準、相同的TDMA(時分多址)幀結(jié)構(gòu)和相同的跳頻規(guī)則。該新型的分組數(shù)據(jù)信道與目前的電路交換語音業(yè)務(wù)信道基本一致，因而現(xiàn)有的基站子

61、系統(tǒng)一直能提供全面的覆蓋。GPRS允許用戶以端到端的分組轉(zhuǎn)移模式發(fā)送與接收信息，因此不需要利用電路交換模式中的網(wǎng)絡(luò)資源。為用戶提供了高效廉價的通用分組無線業(yè)務(wù)，尤其適合于突發(fā)性的、少量的、間斷的、和頻繁的信號傳輸。GPRS的理論帶寬是171.2KB/S，但實際使用帶寬只有40～100KB/S，在此信道上建立TCP/IP連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)無線分組數(shù)據(jù)傳輸，永遠在線并且是按流量計費，大大地減少了使用成本[

62、15]。</p><p><b>　　GPRS技術(shù)的特點</b></p><p>　　GSM系統(tǒng)發(fā)展到如今，基本能夠滿足目前移動通信中語音通信的要求，已經(jīng)是全球最大的移動通信系統(tǒng)。然而，首先是數(shù)據(jù)傳輸速率特別低，不能傳輸需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔?，而且容量小、頻譜利用率較低，使頻率資源緊張匱乏，滿足不了人們對移動技術(shù)多媒體通信的巨大的需求。GPRS在很大程度上彌補了GSM

63、網(wǎng)絡(luò)的這些不足，解決了GSM系統(tǒng)存在的弊端。GPRS的主要特點如下：</p><p>　　1.GPRS采用分組交換技術(shù)，分組交換的基本原理是把原始的數(shù)據(jù)包先分成若干個小數(shù)據(jù)包，利用不同的路由的接力，經(jīng)過一系列的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)過程傳到接收端，最后組裝成完整的數(shù)據(jù)。分組交換技術(shù)沒有固定延時，也不是實時系統(tǒng)，但能在傳輸不同信息時使傳輸帶寬“共享”，有數(shù)據(jù)時占用帶寬，無數(shù)據(jù)則不使用，達到資源共享。此外分組交換能提供差錯與流量

64、控制，主要在端到端的高層中進行，能夠減少中間網(wǎng)絡(luò)層能量不必要的消耗，也能在網(wǎng)絡(luò)的某些環(huán)節(jié)上增加控制，增加可靠性。另外利用設(shè)置服務(wù)等級等方式，能夠有效地控制和改變延時、帶寬等性能，因此，分組交換特別適合于數(shù)據(jù)應(yīng)用。</p><p>　　2.數(shù)據(jù)傳輸速度大大地得到了提高，以往只能有面向文本的數(shù)據(jù)使用的功能，而GPRS使圖片、語音與視頻等多媒體業(yè)務(wù)變成現(xiàn)實。GPRS手機用戶還能隨時隨地發(fā)送和接收電子郵件，收發(fā)彩色數(shù)碼照

65、片及大容量文本檔案，還能玩網(wǎng)絡(luò)游戲。</p><p>　　3.“永遠在線”，即用戶也可以隨時隨地的利用網(wǎng)絡(luò)資源。例如用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，打開某個網(wǎng)頁，手機就能在無線頻譜上收發(fā)數(shù)據(jù)，當主頁下載到本機，且沒有數(shù)據(jù)傳輸時，手機釋放所有無線頻道讓其他的用戶使用，但是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間仍然有邏輯上的連接，當用戶再次訪問時，立即向網(wǎng)絡(luò)提出無線頻道進行數(shù)據(jù)傳送的請求。</p><p>　　4.通信費用低。GP

66、RS的計費是通過傳輸數(shù)據(jù)的流量而并非取決于上網(wǎng)時間的長短。</p><p>　　5.實時性。與短信服務(wù)相比，沒有延時，能很好地滿足用戶對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求。</p><p>　　6.GPRS網(wǎng)絡(luò)接入時間短，提供了和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫接入。GPRS網(wǎng)本身是一個分組型的數(shù)據(jù)網(wǎng)，它支持TCP/IP和X25協(xié)議，不需經(jīng)過PSTN等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，直接能和互聯(lián)網(wǎng)或X25網(wǎng)互通，接入時間僅僅幾秒鐘，比電路型

67、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要快得多[16]。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的總體設(shè)計</p><p><b>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計原則</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的載波媒體可能的選擇包括紅外線、激光和無線電波。為了提高網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境適應(yīng)性，所選擇的傳輸媒體應(yīng)該是在多數(shù)地區(qū)內(nèi)都可以使用的。紅外線的使用不需要申請頻段，不會受到電磁信號干擾，而且紅外線收

68、發(fā)器價格便宜。另外一種可能的通信方式是激光，激光通信保密性強、速度快。但是紅外線和激光通信的一個共同問題是要求發(fā)送器和接收器在視線范圍之內(nèi)，這對于節(jié)點隨機分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，難以實現(xiàn)，因而使用受到了限制。在國外己經(jīng)建立起來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多數(shù)傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計多基于射頻電路。由于使用9.2MHz、2.4GHz及5.SGHz的ISM頻段不需要向無線電管理部門申請，所以很多系統(tǒng)采用ISM頻段作為載波頻率。</p>

69、<p>　　本文通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作工藝及各種不同場合下的應(yīng)用分析，總結(jié)了以下幾個方面的基本設(shè)計原則:</p><p>　　（1）節(jié)能是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計最主要的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要部署在人們無法接近的場所，而且不常更換供電設(shè)備，對節(jié)點功耗要求就非常嚴格。在設(shè)計過程中，應(yīng)采用合理的能量監(jiān)測與控制機制，功耗要限制在幾十毫瓦甚至更低數(shù)量級。</p><p>　　（2）成本

70、的高低是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計好壞的重要指標。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常大量散布，只有低成本才能保證節(jié)點廣泛使用。這就要求無線傳感器節(jié)點的各個模塊的設(shè)計不能特別復(fù)雜，否則不利于降低成本。</p><p>　?。?）微型化是傳感器網(wǎng)絡(luò)追求的終極目標。只有節(jié)點本身足夠小，才能保證不影響目標系統(tǒng)環(huán)境;另外在戰(zhàn)爭偵查等特定用途的環(huán)境下，微型化更是首先考慮的問題之一。</p><p>　　（4）可擴展性也是

71、設(shè)計中必須考慮的問題。節(jié)點應(yīng)當在具備通用處理器和通信模塊的基礎(chǔ)上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應(yīng)不同的組件。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢</p><p>　　ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，工作在2.4 GHz和868／915 MHz的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，他是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案，是一種雙向傳輸(two-way)的無

72、線通信標準，主要用于中短距離無線系統(tǒng)連接，提供傳感器或二次儀表無線雙功網(wǎng)絡(luò)接入，能夠滿足對各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令和信息的需求使現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、無線化。ZigBee技術(shù)采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術(shù)與嵌入ZigBee技術(shù)協(xié)議棧的組合；他依據(jù)IEEE 802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器設(shè)計成只需要很少的能量的裝置，并以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個傳感器無線傳到另一個傳感器，依次傳遞

73、，以構(gòu)成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于具有低功耗和低成本的獨特優(yōu)勢，以及低延遲、較長的傳輸距離、靈活的組網(wǎng)方式等特性，ZigBee正在不斷擴大其在工業(yè)控制(如無線傳感器網(wǎng)絡(luò))、家庭智能控制和樓宇自動化(如照明控制)等領(lǐng)域的應(yīng)用。通常符合以下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)：</p><p>　　(1)設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小；</p><p>　　(2)設(shè)備體積很小，不便放置

74、較大的充電電池或者電源模塊；</p><p>　　(3)沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池；</p><p>　　(4)頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難；</p><p>　　(5)需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。</p><p>　　目前變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在一些化工配電和電力生產(chǎn)單位

75、中得到廣泛的應(yīng)用但是其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ê褪侄芜€很落后，如果采用無線傳感器技術(shù)將會使變壓器狀態(tài)在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性等各方面指標得以提高。目前無線傳感器技術(shù)主要方向是ZigBee技術(shù)，本系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)上的，完全能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)通訊的要求。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。</p&g

76、t;<p>　　圖3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　無線傳感器節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信等工作。節(jié)點的種類主要分為采集節(jié)點和匯聚節(jié)點兩類。其中，采集節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)的采集和一些相關(guān)的執(zhí)行指令的工作，匯聚節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)的匯總，數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接受任務(wù)。整個網(wǎng)絡(luò)由若干采集節(jié)點和匯聚節(jié)點組成的數(shù)據(jù)采集發(fā)送系統(tǒng)與數(shù)據(jù)接收終端組成，網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。接收設(shè)備與計算機監(jiān)控終端相連，用于發(fā)布命

77、令以及實時監(jiān)控。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p><b>　　采集節(jié)點的硬件設(shè)計</b></p><p>　　CC2430主要特點</p><p>　　CC2430是一款真正的片上系統(tǒng)芯片（SOC）CMOS解決方案。該方案提高了模塊的性能且能滿足用戶對系統(tǒng)低成本和低功耗的要求。它包含了高性能

78、的2.4GHz直接序列擴頻的射頻收發(fā)器核心，還有一顆工業(yè)級小巧高效的增強型8051微控制器。CC2430芯片延用了以往0.18μm CMOS的工藝，工作時其電流損耗只有27mA。當處于發(fā)射和接收模式時，電流損耗低于27mA。CC2430在休眠模式和正常模式互相轉(zhuǎn)換時耗時極短，該芯片對電池壽命有很高要求的應(yīng)用場合非常適合。</p><p>　　CC2430芯片沿用了以往CC2420射頻芯片架構(gòu)，在一個芯片上內(nèi)嵌有Z

79、igBee的RF收發(fā)、內(nèi)存以及微控制器。應(yīng)用增強型的8位微處理器，該處理器是普通C51單片機處理性能的8倍，且具有32/64/128（KB）的可編程FlaSh和8KB的RAM。CC2430總共4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：32MHz晶體振蕩器和32.768kHz休眠模式振蕩器，16MHz和32kHz的RC振蕩器。CC2430的電壓工作范圍是2.0～3.6V。高達8輸入的8到14位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、4個Timer（定時器）、

80、上電復(fù)位電路、安全協(xié)處理器、看門狗、掉電檢測電路，和21個可編程I/O口引腳。</p><p>　　CC2430芯片功耗極低，這是由于根據(jù)其不同的功率需求定義了4種功率模式，并且不同模式之間的轉(zhuǎn)換時間極短。數(shù)字部分的時鐘分塊控制技術(shù)被用于降低動態(tài)功率的消耗，當模塊正處于非激活狀態(tài)時，通過關(guān)斷電源就能獲得超低靜態(tài)功耗。處于休眠模式的CC2430芯片只有0.9μA的電流，可以通過外部中斷或定時器將系統(tǒng)喚醒；當芯片處于

81、待機模式時，電流值小于0.6μA，利用外部中斷就能喚醒系統(tǒng)。</p><p>　　中斷方式有效地解決了低速外設(shè)與高速內(nèi)核間的矛盾，大大地提高了單片機的處理速度。但是當處在中斷方式時，必須花費一定的時間來進行重要信息的保護和恢復(fù)操作，但是他們與輸入/輸出操作無關(guān)。所以，當遇到高速外設(shè)時，中斷方式顯得很吃力。CC2430需要在內(nèi)存和外設(shè)間開辟一條專門的數(shù)據(jù)通道以提高數(shù)據(jù)的存儲效率。該數(shù)據(jù)通道在進行數(shù)據(jù)交換時，不通過8

82、051內(nèi)核，而是由DMA控制器的硬件進行控制。</p><p>　　CC2430芯片集成了AES-128安全協(xié)處理器，該處理器支持先進的技術(shù)加密標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密。CC2430共有四個定時器：1個普通的16位定時器(Timer1)、2個8位定時器（Timer3、4），用于支持典型的定時和計數(shù)功能，包括：測量時間間隔，產(chǎn)生周期性地中斷請求，比較輸入輸出與PMW功能；1個MAC定時器（Timer2），用于為IEEE

83、 802.15.4的CSMA/CA算法和MAC層提供定時功能。CC2430的14位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）與普通的單片機的8位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）不同，它包括1個參考電壓發(fā)生器、8個能夠獨立進行配置的通道、1個電壓發(fā)生器和經(jīng)過DMA模式把轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入到內(nèi)存控制器。CC2430的ADC能夠?qū)﹄姵仉妷哼M行檢測、還能通過標定的方式測量外界溫度。CC2430還配置了實時時鐘、上電復(fù)位等外設(shè)[17]。</p><p>　　綜上

84、所述，CC2430芯片的主要性能如下：</p><p>　　低成本、低功耗和高性能的51微控制器核；</p><p>　　電壓范圍寬（2.0～3.6V）； </p><p>　　在休眠模式時電流損耗僅為0.9μA ，待機模式時少于0.6μA；在收發(fā)射模式時，流耗都低于27 mA； </p><p>　　無線接收靈敏度高、抗干擾性強； <

85、/p><p>　　集成符合IEEE 802.15.4協(xié)議的2.4 GHz無線電收發(fā)機； </p><p>　　硬件支持CSMA（載波偵聽多路訪問）/CA（沖突防止）功能； </p><p>　　支持數(shù)字化的RSSI（信號接收強度）/LQI（鏈路接收質(zhì)量）和強大的DMA（直接內(nèi)存訪問）功能；</p><p>　　具有128 KB可編程Flash（閃

86、存）和8 KB的RAM（隨機存儲器）； </p><p>　　外部的中斷或RTC（實時時鐘芯片）喚醒系統(tǒng)；</p><p>　　集成AES（高級加密標準）安全協(xié)處理器； </p><p>　　集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）； </p><p>　　強大和靈活的開發(fā)工具。</p><p>　　CC2430外

87、圍電路設(shè)計</p><p>　　CC2430的外圍電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 CC2430的外圍電路的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由圖知，CC2430芯片加上很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的傳輸功能。使用CC2430可以實現(xiàn)ZigBee模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸及處理功能。通過門電路實現(xiàn)ZigBee模塊與GPRS發(fā)送模塊雙向電平之間的轉(zhuǎn)換

88、。</p><p><b>　　采集節(jié)點的電路設(shè)計</b></p><p>　　圖4-2 采集節(jié)點電路圖</p><p>　　圖4-2系統(tǒng)采集節(jié)點的電路圖。電路中，利用1個非平衡的天線與非平衡變壓器連接進行信號的收發(fā)，能夠使天線的性能更加的完善。電路中的非平衡變壓器由1個電容（C7）和電感L1、L2、L3及1個PCB微波傳輸導(dǎo)線構(gòu)成，整個結(jié)構(gòu)的

89、RF輸入/輸出總電阻為50Ω。正常工作時啟動32MHz的晶振電路，該電路由32MHz的石英晶體振蕩器(Y1)與電容C2、C3（22pF）構(gòu)成。休眠模式時啟動32.768kHz的晶振電路，該電路由32.768kHz的石英諧振器(Y2)與2個15pF電容(C8、C9)構(gòu)成。1.8V電壓的引腳及內(nèi)部電源由電壓調(diào)節(jié)器負責(zé)供電，其它的所有接地的電容是去耦電容，能夠?qū)﹄娫催M行濾波，大大提高了芯片的工作穩(wěn)定性，R1、R2的作用是為32MHz晶振設(shè)置精

90、確的偏置電流。芯片的P0口為采集信號的入口，其中包括對電力變壓器的電流、電壓、功率以及油溫等信號的采集。</p><p>　　由于CC2430芯片能夠接收的信號為電壓信號，所以當采集信號為電流信號時，我們應(yīng)通過一個適當?shù)膸в须娮璧碾娐穼㈦娏鬓D(zhuǎn)換為電壓，作為輸入信號進入到CC2430芯片中。</p><p>　　4.2 匯聚節(jié)點的硬件設(shè)計</p><p>　　4.2

91、.1 MC39i芯片介紹</p><p>　　MC39i包括五部分：電源、射頻電路、GSM基帶處理器、SRAM存儲器、FLASH存儲器（閃存）、測試網(wǎng)絡(luò)接口、40引腳的ZIF連接口、天線接口及SIM卡插座等。GSM基帶處理器是整個GPRS模塊的核心，它在MC39i內(nèi)部負責(zé)所有語音、數(shù)據(jù)等的處理，內(nèi)部的所有程序和整個協(xié)議棧都通過基帶處理器運行，運用通用異步收發(fā)模式進行數(shù)據(jù)的傳輸。它內(nèi)部集成了26MHz的MCU微處

92、理器單元、GMSK調(diào)節(jié)器以及靜態(tài)78MHz的DSP（數(shù)字信號處理）內(nèi)核、模擬與數(shù)字話音濾波器及AD/DA轉(zhuǎn)換器、具有微處理器和DSP程序或數(shù)據(jù)存儲器、SIM卡的接口、C51或C52密碼單元、電池工作環(huán)境的溫度監(jiān)測電路、動態(tài)電源管理模式。不需要任何硬件電路的情況下即可進行FR、HR及EFR的語音信道編碼[18]。 </p><p>　　4.2.2 匯聚節(jié)點的電路設(shè)計</p><p>　　在

93、設(shè)計中匯聚節(jié)點采用了以CC2430芯片和MC39i芯片為核心的模塊化處理方式。其中CC2430芯片主要完成ZigBee傳輸中的信息匯總作用，并在芯片中對信息進行處理，使之適合在兩芯片中的傳輸。兩個芯片由于正常工作電平不同，因此設(shè)計中兩個芯片通過一個電平轉(zhuǎn)換電路進行連接，來適配兩芯片的工作電平[19]。</p><p>　　匯聚節(jié)點電路圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3（a）

94、匯聚節(jié)點電路圖</p><p>　　圖4-3（b） 匯聚節(jié)點電路圖</p><p>　　圖4-4是MC39i與CC2430的連接圖。</p><p>　　圖4-4 CC2430與MC39i芯片連接圖</p><p><b>　　接收終端的設(shè)計</b></p><p>　　本設(shè)計的接收終端采用以M

95、C39i為核心的GPRS模塊對數(shù)據(jù)進行接收和發(fā)送，其中GPRS模塊與計算機監(jiān)控終端進行相連，主要完成對電力變壓器的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，指令的發(fā)送，數(shù)據(jù)分析處理等功能[20]。</p><p><b>　　電源模塊的設(shè)計</b></p><p>　　CC2430模塊電壓范圍是2～3.3V。考慮本系統(tǒng)需安裝在電力變壓器附近，使用的地點比較偏遠，不宜人員經(jīng)常的維護，故電源選擇太陽

96、能電池與充電電池并行供電的方式，即在有陽光照射時，由太陽能電池供電，并向充電電池進行充電，當無太陽照射時，采用充電電池供電（因為ZigBee模塊耗電量極小，即使單獨用充電電池供電，也可連續(xù)使用4-6個月）。因此，只需將性能良好的充電電池作為模塊的供電電源，然后連接SPX1117-3.3穩(wěn)壓器即可。再將狀態(tài)設(shè)置為休眠模式，這樣就可以保證模塊的持久供電。因為SPX1117 是一個功耗非常低的正向電壓調(diào)節(jié)器，它可以用在一些類似于ZigBee模

97、塊的小封裝的設(shè)計中。SPX1117靜態(tài)電流非常低，滿負載時的低壓差僅為1.1V。當輸出電流減小時，靜態(tài)電流隨負載的變化而變化。SPX1117為可調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓模塊，輸出電壓可以選擇1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V和5V。在本設(shè)計中，采用3.3V的輸出電壓，如圖3.3。SPX1117有以下特性：</p><p>　　(1)0.8A穩(wěn)定輸出電流和1A穩(wěn)定峰值電流； </p>&l

98、t;p><b>　　(2)低靜態(tài)電流；</b></p><p><b>　　(3)低壓差?。?lt;/b></p><p>　　(4)0.1%的線性調(diào)整率和0.2%的負載調(diào)整率。</p><p>　　電源模塊電路如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 電源模塊電路圖</p>&

99、lt;p><b>　　串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</b></p><p>　　CC2430與MC39i都具有USART，可以根據(jù)需要，選擇適當?shù)腢SART口與串口電路相連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)接收模塊的功能，方便與RS232口電路進行連接。本設(shè)計中CC2430的P0.2和P0.3分別于串口芯片MAX232I的R1OUT和T1IN相連接。MC39i的OUT和IN接口分別于MAX232I的R1

100、OUT和T1IN相連接。MAX232I是一款工業(yè)級的串口芯片，性能更加穩(wěn)定環(huán)境適應(yīng)能力更好[21]。其中部分電路如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 串口轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件層

101、包括三個層次:硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層。硬件抽象層實現(xiàn)對硬件平臺(供電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信單元)的抽象，為上層屏蔽底層硬件細節(jié)，簡化系統(tǒng)平臺移植。系統(tǒng)服務(wù)層包括通信服務(wù)、傳感服務(wù)、能耗管理服務(wù)、實時內(nèi)核等部分，在這個層次中除了實現(xiàn)操作系統(tǒng)如任務(wù)調(diào)度、信號量等內(nèi)核服務(wù)外，還將完成各種路由、安全算法的實現(xiàn)，并支持各類通信傳輸協(xié)議。應(yīng)用層是由用戶根據(jù)具體應(yīng)用的需要定義，利用系統(tǒng)服務(wù)層提供的接口，能方便的設(shè)計出上層軟件。<

102、/p><p>　　為了增加ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容量以及解決傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個重要的能源供給的問題，本網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點和設(shè)備節(jié)點之間的通信采用基于需求時喚醒的工作模式。這種模式可以大大節(jié)省傳感器節(jié)點的功耗，減少信息上報時的碰撞概率，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。網(wǎng)絡(luò)中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式:設(shè)備節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備節(jié)點、對等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。星型拓撲網(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，即數(shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)

103、器節(jié)點和設(shè)備節(jié)點之間交換。而在點對點拓撲網(wǎng)絡(luò)中三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。節(jié)點采用串口通信模式，利用中斷來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)傳送采用主從節(jié)點方式，設(shè)備節(jié)點可以向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送中斷請求。節(jié)點一般處于休眠狀態(tài)，當有中斷請求時被激活工作。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是根據(jù)無線模塊的網(wǎng)絡(luò)號、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)地址進行的，在初始設(shè)置的時候，先設(shè)定每個無線模塊所屬網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，再設(shè)定每個無線模塊的地址，通過這種方法，確定了網(wǎng)絡(luò)中無線模塊地址的唯一性。若要加入一個新的節(jié)點

104、，只需給它分配一個不同的地址，在控制中心計算機上更改全網(wǎng)的節(jié)點數(shù)，記錄新的節(jié)點的地址。</p><p>　　整個軟件系統(tǒng)大致分為主程序處理模塊、初始化模塊、建立通信鏈路模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊、通信服務(wù)模塊(包括數(shù)據(jù)處理模塊、打包發(fā)送模塊、中斷接收模塊)等。主程序處理模塊用來調(diào)用其它模塊完成應(yīng)該實現(xiàn)的功能;初始化模塊用來初始化單片機串口和設(shè)置zigBee模塊的一些參數(shù)，包括內(nèi)部各種寄存器的設(shè)置、工作模式的設(shè)置(如波特率

105、)等，完開中斷，循環(huán)等待中斷:建立鏈路模塊用來建立節(jié)點間的數(shù)據(jù)鏈路;通信服務(wù)模塊中，數(shù)據(jù)處理模塊用來接收并分析無線傳感器節(jié)點發(fā)來的事件，然后做出處理;打包發(fā)送模塊是當信息打包后需要發(fā)送時，利用串行口中斷可以將信息包逐字節(jié)發(fā)送出去;中斷接收模塊是用來接收串行口發(fā)來的數(shù)據(jù)，信息包接收完成后執(zhí)行校驗，并根據(jù)校驗結(jié)果決定是丟棄該幀還是做出相應(yīng)的反應(yīng)。</p><p>　　主程序流程如圖5-1所示。</p>

106、<p>　　圖5-1主程序流程圖</p><p>　　采集節(jié)點打開電源，初始化單片機串口、ZigBee模塊，建立通信鏈路后進入休眠模式。當協(xié)調(diào)器節(jié)點收到中斷請求時觸發(fā)中斷，激活節(jié)點，執(zhí)行通信服務(wù)子程序，利用串行口中斷發(fā)送或接收信息包。接收數(shù)據(jù)時調(diào)用接收數(shù)據(jù)處理子程序分析節(jié)點發(fā)來的事件，對不同的數(shù)據(jù)類型(廣播幀、數(shù)據(jù)幀等)做出相應(yīng)的處理;接收完成后還要執(zhí)行校驗，根據(jù)校驗結(jié)果決定是丟棄該幀，還是做出相應(yīng)的反

107、應(yīng)。處理完畢后繼續(xù)進入休眠狀態(tài)，等待有請求時再次激活。若有多個設(shè)備節(jié)點同時向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送請求，協(xié)調(diào)器節(jié)點來不及響應(yīng)處理而丟掉一些請求，發(fā)現(xiàn)自己的請求未得到響應(yīng)的設(shè)備節(jié)點過幾秒鐘再次發(fā)出請求，直到得到協(xié)調(diào)器節(jié)點的響應(yīng)為止。發(fā)送數(shù)據(jù)時調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)處理子程序?qū)?shù)據(jù)信息打包后利用串行口中斷將信息包逐字節(jié)發(fā)送出去。</p><p><b>　　采集節(jié)點的軟件設(shè)計</b></p><