毕业设计（论文）基于ZigBee的六氟化硫无线检测节点设计

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1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 基于基于 ZigBeeZigBee 的六氟化硫无线的六氟化硫无线 传感器节点设计传感器节点设计专业年级专业年级 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 评评 阅阅 人人 二二九年六月九年六月计算机及信息工程学院（常州）计算机及信息工程学院（常州）河 海 大 学本科毕业设计（论文）任务书（理（理 工工 科科 类）类）、毕业设计（论文）题目： 基于ZigBee的六氟化硫无线传感器节点设计 、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：（1）培养综合运用所学理

2、论知识 、独立开展科研实践的能力； （2）利用 ZigBee 技术和超声检测技术，实现用于室内定性检测六氟化硫气体的无线传感器节点； （3）基于超声传播速度原理，设计六氟化硫传感器，检测精度不低于500ppm；（4）传感器能够根据上位机的命令实施检测并上传检测数据；（5）通信方式采用 ZigBee 无线通信，要求在视距范围内传输距离不小于50m； （6）节点可用两节五号电池驱动，并且检测时电流小于 80mA，发射电流小于 40mA；（7）在节点上实现 ZigBee 的移植，能够实现简单的多跳传输。 、进度安排：2008 年 9 月-10 月 查阅相关文献，了解设计中相关技术，跟指导老师交流设计

3、具体实现目标，写系统分析文档；2008 年 11 月-12 月 经过多方案对比，确定实现方案、测试方案，并把各方案文档化； 2008 年 1 月 确定软硬件平台，并熟练使用； 2009 年 2 月 细化功能模块，确定算法或实现细节，并文档化； 2009 年 3-4 月 系统实现，把实现过程，特别是方案变更做详细纪录； 2009 年 5 月 系统测试，测试结果文档化； 2008 年 6 月 整理文档，撰写论文，准备答辩；、主要参考资料：1. ZigBee 技术基础及案例分析 金纯 编著 国防工业出版社 2008 2. 无线传感器网络技术 李晓维 主编 北京理工大学出版社 2007 3. 超声手册

4、 冯若 2002 年 指导教师： ， 年 9 月 10 日学生姓名： ，专业年级： 系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 该课题符合电子科学与技术专业的培养方向，能结合工程实际，内容难度和工作量合适，同意作为毕业设计的课题。 系负责人签字： ， 年 11 月 20 日摘摘 要要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IEEE802.15.4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

5、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、利用声学检测法设计出一种六氟化硫无线传感器检测节点，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。本无线传感器检测节点使用CC2430无线单片机进行数据的检测和处理以及ZigBee无线通信。本无线传感器网络节点的外围电路少、功耗低、功能能强大、处理速度快，根据实际需要组建为星形、树形网络，不仅可维护性强而且安全可靠、生存周期长。此外，本

6、系统SF6浓度检测精度优于200V/V，检测范围为200-2500V/V。关键字：关键字：无线传感器 ，IEEE 802.15.4 ，ZigBee ，超声检测 ，六氟化硫 ，CC2430AbstractZigBee is a new close-up, low-complexity, low-power, low data rate, low-cost wireless network technology. It is based on IEEE802.15.4 standards, in thousands of tiny sensors to achieve communication

7、between the co-ordination. These sensors only need very little energy, a way to relay the data through radio waves from one sensor to another sensor, so the efficiency of their communication is very high.SF6 gas which has excellent insulation and interruption performance is widely used in the power

8、system. However, during the operation of electrical equipment SF6 gas leakage will harm the human body, so to accurately detect the concentration of SF6 gas is a safe and reliable operation of electrical equipment protection. The system based on the ZigBee wireless network technology, use of ultraso

9、nic testing technology to design a wireless sensor node detect the concentration of SF6 gas, which is not only low-cost, high precision, easy installation, and suitable for non-duty substation trends.The wireless sensor network nodes less external circuitry, low power consumption, functionality can

10、be powerful and fast processing speed, according to the actual needs can be set up for the star, tree networks, which is strong , safe ,reliable maintenance and long lifetime.The detection accuracy for SF6 concentration of the system is better than 100ppm; the detection range from 200-2500V / V.Keyw

11、ords: Wireless sensor , IEEE 802.15.4 , ZigBee , Ultrasonic detection , SF6 , CC2430目目 录录第一章第一章 绪论绪论 .11.1 研究背景.11.2 SF6检测系统的研究现状.11.3 无线传感器网络的研究现状.21.4 论文的主要工作 .31.5 本章小结 .3第二章第二章 ZIGBEEZIGBEE 技术及应用技术及应用.42.1 ZIGBEE技术概述.42.2 IEEE 802.15.4 标准.52.3 ZIGBEE协议栈.72.3.1 ZigBee 协议栈结构.72.3.2 ZigBee 网络设备类型.8

12、2.3.3 ZigBee 网络拓扑结构.92.4 ZIGBEE 的应用前景.102.5 本章小结.11第三章第三章 无线传感器节点总体设计方案无线传感器节点总体设计方案 .113.1 无线传感器节点框架设计.113.2 超声检测法 .123.2.1 单通道超声测量原理.123.2.2 温度补偿原理.153.2.3 单通道超声检测静态误差.153.2 温度采集模块设计 .163.2.1 CC2430 片内温度传感器.163.2.2 误差补偿处理.173.3 ZIGBEE网络拓扑结构设计 .183.4 本章小结.19第四章第四章 无线传感器节点的硬件设计无线传感器节点的硬件设计.204.1 CC2

13、430 控制模块设计 .204.1.1 CC2430 片上系统.204.1.2 CC2430 的 8051 内核.224.2 超声检测模块设计 .234.3 ZIGBEE射频模块设计.244.3.1 CC2430 射频模块.244.3.2 IEEE 802.15.4 调制方式.274.4 RS232 串口通信模块设计.284.5 电源模块设计 .284.6 状态显示模块.294.8 本章小结.30第五章第五章 无线传感器节点的软件设计无线传感器节点的软件设计.305.1 ZIGBEE软件集成开发平台选择 .305.2 ZIGBEE协议栈的选择.315.3 硬件驱动程序设计.325.4 网络配置

14、.335.5 无线传感器节点软件设计.345.5.1 协调器程序设计.355.5.2 路由及终端节点程序设计.365.6 超声检测气体浓度程序设计.375.7 本章小结.38第六章第六章 测试结果与分析测试结果与分析.386.1 静态误差.386.1 六氟化硫气体浓度检测.396.2 组网试验.416.3 本章小结.42第七章第七章 总结与展望总结与展望.42致致 谢谢.44参考文献参考文献.45附录一无线传感器节点实物图附录一无线传感器节点实物图 .47附录二附录二 系统测试平台实物图系统测试平台实物图.47附录三附录三 CC2430 系统板原理图系统板原理图.48附录四附录四 英文文献翻译

15、英文文献翻译 .481第一章第一章 绪论绪论1.11.1 研究背景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。电网设备朝着超高压、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（Gas Insulated Switchgear，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。设备在运行过程中，SF6的气体泄

16、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/T 8905-1996）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

17、4。其中7.3.3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。1.21.2 SFSF6 6检测系统的研究现状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

18、涉法不仅需要昂贵的仪器设备，而2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

19、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。1.31.3 无线传感器网络的研究现状无线传感器网络的研究现状无线传感器网络5是当前国际上备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（Wireless Sensor Network，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

20、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

21、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TinyOS 7。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 3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于感知数据查询的处理。1.41.4 论文的主要工作论文

22、的主要工作本实验室一直致力于SF6超声检测技术的研究10-14，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，传承实验室超声检测特色，将ZigBee无线传感器网络与六氟化硫超声检测技术相结合，设计出一种基于ZigBee的超声SF6无线传感器检测节点。该无线节点具有如下优点：采用无线传输

23、方式，使用两节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现场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。1.51.5 本章小结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和发展方向。简单说明了本论文的主要工作以及本

24、课题相对已存在系统的实用性和先进性。4第二章第二章 ZigBeeZigBee 技术及应用技术及应用2.12.1 ZigBeeZigBee 技术概述技术概述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IEEE 802.15.4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。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IEEE802.1

25、5.4（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。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。zigbee的底层技术基于IEEE 802.15.4. IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（250kbps） 、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。表 2-1 几种无线通信技术对比市场名称标准GPRS/GSM1xRTT/CDMAWi-FiTM802.11bBluetoothTM802.15.1Zi

26、gBeeTM802.15.4应用重点广阔范围声音&数据Web，Email，图像电缆替代品监测&控制系统资源16MB+1MB+250KB+4KB-32KB电池寿命（天）1-70.5-51-7100-1000+网络大小1327255/65000带宽（KB/s）64-128+1100072020-250传输距离（米）1000+1-1001-10+1-100+成功尺度覆盖面大，质量速度，灵活性价格便宜，方便可靠，低功耗，价格低由表2-1中几种无线通信技术对比可知，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6

27、24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。5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20250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40

28、kbps (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、近距离。传输范围一般介于10100 m 之间，在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。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15 ms ，节点连接进入网络只需30 ms ，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。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

29、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。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 (AES 128) 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,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和 868 MHz(欧洲)。2.22.2 IEEEIEEE 802.15.4802.15.4 标准标准IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。它具有复杂度低、成本极少、功

30、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。IEEE 802.15.4 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。6图 2-1 ZigBee 的物理信道IEEE 802.15.4 提供两种物理层 ：2.4GHz 物理层和 868/915 MHz 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。2.4G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20 kbps、40

31、kbps。两个物理层共有3个频带，被分为27个频率信道如图2-1。868/915MHz物理层在868.0-868.6 MHz之间，支持一个信道，称为0号信道；在902.0-928.0MHz之间。则支持10个信道，称为1-11号信道。2.4GHz物理层在2.4-2.4834GHz之间支持16个信道，为12-27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。IEEE 802.15.4 MAC 层的特征是：联合 ，分离，确认帧传递，通道访问机制， 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

32、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。IEEE 802.15.4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

33、维护的形式。7IEEE 802.4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。2.32.3 ZigBeeZigBee 协议栈协议栈ZigBee协议栈(Z-STACK) 由ZigBee联盟制定，是ZigBee技术的核心，是开发ZigBee必须掌握的关键技术。与其他的无线通信标准相比，ZigBee协议套件更加紧凑而简单，具体实现要求较低：硬件需要8位处理器，如80C51；软件需要32KB的ROM，最小软件需要4KB的ROM；网络主节点需要更多的RAM以容纳网络内

34、所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。2.3.12.3.1 ZigBeeZigBee 协议栈结构协议栈结构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。ZigBee协议栈的体系结构如图2-2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。IEEE 802.15.4-2003标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质

35、接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络/安全层和应用层(AI L)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WPAN( Wireless Personal Area Network)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。8图 2-2 ZigBee 体系结构模型2.3.22.3.2 ZigBeeZigBee 网络设备类型网络设备类型在ZigBee网络中存在三种逻辑设备

36、类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成。图 2-3 简单的 ZigBee 网络示意图图 2-3 简单的 ZigBee 网络中，黑色节点为 Coordinator，红色节点为Router，白色节点为 End-Device。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PAN ID，即Personal Area Network ID)，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

37、(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9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。2.3.32.3

38、.3 ZigBeeZigBee 网络拓扑结构网络拓扑结构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2-4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 802.15.4 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(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。其特点是：附带

39、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。 图2-4 ZigBee的网络拓扑结构10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 ID)。利用PAN ID ，采用16位的短地址码可以进行并激活网络设备间的通信。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

40、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。2.42.4 ZigBeeZigBee 的应用前景的应用前景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

41、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

42、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。115、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。

43、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。2.52.5 本章小结本章小结本章阐述了ZigBee技术及IEEE 802.15.4标准及其相关应用，讨论了它们的关系和技术特点，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。第三章第三章 无线传感器节点总体设计方案无线传感器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

44、从实际应用出发，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，设计出一种基于ZigBee的超声六氟化硫无线传感器节点。3.13.1 无线传感器节点框架设计无线传感器节点框架设计基于ZigBee的六氟化硫无线传感节点的组成框图如图3-1所示，主要包括：超声波检测模块，温度检测模块，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）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。12电源适配器CC2430控制核心超声波检测

45、模块温度检测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状态显示模块图 3-1 无线传感节点结构框图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检测超声波在含有六氟化硫气体的空气中的声速；温度检测模块负责检测现场的温度，进行超声检测温度补偿；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，接收和发送数据；RS232 串口通信模块主要用于安装调试时数据显示以及数据上传；电源适配器模块主要是对节点

46、提供能量，能量可以使用电池，也可以使用直流供电。在本节点设计中大部分节点都采用电池供电。由于大部分无线传感器节点都采用普通碱电池供电，电压一般为 2-3V，本系统的所有工作电路都设计为低功耗，低电压电路。3.23.2 超声检测法超声检测法3.2.13.2.1 单通道超声测量原理单通道超声测量原理本测量方法采用二元气体超声检测原理来检测空气中的微量气体浓度。这一原理是基于当气体材料的成分、浓度不同，以及外界环境条件如温度、压力等情况变化时，在其中传播的超声波的声速会发生改变这一特性进行检测，如图3-2所示。具体的检测方法：采用一对固定距离的超声换能器，从一个换能器向另一个换能器发射脉冲，测量脉冲

47、传播的时间，进而计算出声速，然后根据声速，温度传感器测得的温度与气体介质混合比例之间的函数关系推算出气体的浓度。13超超声声波波发发射射被被测测物物质质接接收收含含有有被被测测物物质质特特性性的的声声波波声声波波信信号号处处理理、分分析析图3-2 超声波检测原理二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体，超声波是以很高速度作小振幅振动在气体中传播，该过程可以看作是绝热过程，理想气体中声速表达式为： (1)1/21/2(/)(/)cPRT M其中， 为气体中的声速， 为气体定压比热与定容比热的比值，cCpCv为气体压强，为气体密度，为摩尔气体常数，表示温度，代表摩尔PRTM气体的质量。式中所有单

48、位使用国际标准单位。较常用的超声测量方法为双通道差分法，测量原理如图3-3所示。设发射和接受探头的距离为L不变，超声波信号在混合气体和背景气体中的传播时差可表示为： (2)111RMRRMcLtLcccc 式中用相应符号加下标R（表示Reference） 、M（表示Mixture）和O（表示Object）的方式分别代表背景气体、混合气体和中的相应参量。本文只考虑摩尔质量大于背景气体摩尔质量的情况。把式(1)、(2)联立，并利用泰勒展开并取一次项得： (3)xMMcLtROR) 1(2从式(3)可以看出微小浓度时，浓度 与微小时差近似成正比关系。检测xt出即可求出浓度x。t14背景气体被测气体a

49、b驱动接收声声程程t()图3-3 双通道超声检测方法为了适应某些场合对传感器功耗和体积的要求，本文设计了单超声通道的气体浓度传感器，来实现上述的超声差分检测的原理。由(1)式可以求出，空气中声速（m/s）和温度T()的关系式为：RC (5)331.45 1/273/RCTm s于是，通过式(5)，可以依赖环境温度T建立一个背景气体参考模型，超声波在该模型下理论传播时间应为： (6)RRLtc如图3-4，可以捕获到超声波通过声程为L的被测气体所消耗的时间为tm。再由温度传感器检测当前的环境温度T。由(4)式有： (7)mRLttc 于是(3)、(7)式联立得到，(1)2OcRRRMLLtxcMc

50、 (8)最后，由(5)、(8) 式可知只需要检测出超声波在被测气体中传播时间ct和当前环境温度T便可求出浓度x。15图3-4 单通道超声检测方法3.2.23.2.2 温度补偿原理温度补偿原理声波在空气中传播时，受环境温度的影响较大，所以在应用超声波进行检测时，需要对超声波的速度进行温度的补偿。0时空气中声速为3314米秒，15时为340米秒，温度每升高1，声速约增加06米秒。将空气中的声速C作为近似式，表示为：C = 331.5 + 0.61T (9)式中，T为实际温度()，C的单位为m/s。若气温变化则声速也变化，这就是因温度差引起的距离测定误差。3.2.33.2.3 单通道超声检测静态误差

51、单通道超声检测静态误差在采用有线的双通道检测的方式下，由于采用了差分检测方式，所以不需要考虑系统所引入的静态误差，然而，对于无线传感器节点功耗的限制，只能采用单通道检测，故需要精确测量静态误差，以实现误差补偿。（1）静态误差产生原因：A由于超声波传感器机械上的问题，使得实际工作部件与实测距离间存在有一个稳定的间距，而不同的传感器做工的不同其间距也不同。如图3-5中右侧超声换能器内的亮点即为实际工作部件，其距整个传感器顶部约有6mm距离。B. MCU计时开始到传感器产生超声波，以及MCU接收到捕获信号进入终端处理函数，期间引入了一个稳定的时间差。16图3-5 超声检测通道和换能器的实物图（2）静

52、态误差消除用L表示两超声传感器实际工作部分之间的距离，用Te表示MCU引入的额外延时，用T表示由MCU得到的计时，Cr为当前环境的声速，则有如下表达式：T =L/Cr +Te (10)通过实验即可测量出L和Te，改变环境后MCU捕获的时间t发生了相应的改变，通过公式(10)，便得到消除静态误差后混合气体中的声速Cm = L/(t te)。3.23.2 温度采集模块设计温度采集模块设计声波在空气中的传播速度与温度密切相关。为了降低成本，缩小体积，减少外围电路的能量消耗，本设计中使用CC2430内置的温度传感器对现场的温度进行测量。3.2.13.2.1 CC2430CC2430 片内温度传感器片内

53、温度传感器CC2430内部集成一模拟温度传感器，具体参数见表3-1。CC2430具有8路8-14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8-14位，参考电压可以设置为外部电压也可以设置为内部的1.25V。模拟温度传感器输出电压与温度的关系如图3-6所示。在零摄氏度时，模拟温度传感器的输出电压为743mV，温度每变化一摄氏度，输出电压将改变2.43mV。温度计算公式为：Temperature= (11)17表3-1 CC2430片内温度传感器参数图3-6 模拟温度传感器输出电压与温度的关系3.2.23.2.2 误差补偿处理误差补偿处理CC2430片

54、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(11)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18块在检测0时的输出电压都是743mV。温度补偿公式为：OffsetmV = Measured Voltage at 25mV (Temp.Coeff. mV/ *Te

55、mp +Output Voltage at 0mV) (12)补偿公式是以在25时检测温度为例(Temp=25)，由数据手册可TempCoeff=245，Output Voltage at 0 =743，计算可得Offset值。最后的实际温度可由式(13)计算得出，如图3-7所示。Temperature = (13)图3-7 温度补偿示意图3.33.3 ZigBeeZigBee 网络拓扑结构设计网络拓扑结构设计ZigBee 技术支持三种类型的网络结构：星形，树形和网状网络。星形网络结构简单，不能完成接力传输，网络的测量范围小；网状网络自组织自维护功能强，网络容量大，但网络结构复杂、成本高；树状

56、网络的特点是成本低，功耗低，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，数据传输信息量小，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，19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。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 3-8 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 3-8，此

57、拓扑结构为树状网络。本设计中 ZigBee 无线传感器网络中的节点分为三种类型：含有串口和射频模块的协调器节点（主节点） ，带有超声检测、温度监测的路由器节点和带有超声检测、温度监测终端节点（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；终端节点为精简功能设备（RFD） ，不具备网络维护功能，只具有数据采集功能。在此传感器网络中主节点主要负责 ZigBee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，温度等

58、数据的采集与上传。3.43.4 本章小结本章小结本章对系统总体框架设计进行了描述，对系统中各模块的功能做了概要说明。重点介绍了超声检测六氟化硫气体浓度的原理和存在的误差处理和温度传感器的设计原理。同时对ZigBee无线传感网络的拓扑结构进行比较，说明了采用树状网络结构的优点。20第四章第四章 无线传感器节点的硬件设计无线传感器节点的硬件设计4.14.1 CC2430CC2430 控制模块控制模块设计设计控制模块是无线传感器节点的核心部分。以往的 ZigBee 设计方案但部分是使用低功耗单片机和 ZigBee 无线模块 CC2420 相结合。该设计方案结构复杂，移植协议栈比较困难，只适用于简单的

59、网络结构。结合无线传感器节点体积小、功耗低的特点以及数据采集、处理的功能要求，本无线传感器节点采用 CC2430无线单片机作为主控芯片，其典型应用电路如图 4-1。图 4-1 CC2430 典型应用电路4.1.14.1.1 CC2430CC2430 片上系统片上系统CC2430是Chipcon 公司推出的一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS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2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(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。21口接复位看门狗定时器片上电源管理3

60、2MHz晶体16MHzRC振荡器掉电复位32.768kHz晶体32kHz RC振荡器睡眠计时器调试界面时钟管理睡眠模式管理器直接存储器8051微控制器内存管理32/64/128KB 可编程闪存8K RAM8位输入的814位ADCAES-128安全协处理器内存管理中断请求控制无线寄存器写闪存CSMA/CA滤波处理串行通信接口1串行通信接口2（16位）定时器1（1EEE 802.15.4 MAC定时器）定时器（8位）定时器3（8位）定时器4无线数据分界面解调器AGC调制器射频接收频率合成器射频发送I/ORESET_NXOSC_Q2XOSC_Q1P2_4P2_3P2_2P2_1P2_0P1_7P1_

61、6P1_5P1_4P1_3P1_2P1_1P1_0P0_7P0_6P0_5P0_4P0_3P0_2P0_1P0_0VDD(2.03.6V）DCOUPLRF_NRF_P先进先出管理控制图4-2 CC2430内部结构示意图CC2430的尺寸只有 77mm 48pin的封装，采用具有内嵌闪存的 0.18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。 为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430还集成了IEEE802.15.4 PHY层和MAC层协议。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

62、ZigBee节点，具有很强的市场竞争力。如图4-2所示，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。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。22CC2430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32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz的RC振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。实时时钟

63、；上电复位；8通道的814位ADC，如图4-3；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。图4-3 CC2430单片机ADC结构图一个AES 协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 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

64、 IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为 IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个 普通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。4.1.24.1.2 CC2430CC2430 的的 80518051 内核内核针对协议栈，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32MHz时钟。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；具有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

65、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23了两个增强的架构：第二数据指针；扩展了18个中断源。CC2430的8051内核的目标代码兼容标准8051的微处理器，由于CC2430的8051内核使用不同于标准的指令时钟和外设模块的差异，因而在编程时与标准的8051代码略有不同。4.24.2 超声检测模块超声检测模块设计设计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

66、，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4-4所示，它主要由反向器74LVC04和超声波换能器构成，74LVC04的最大特点是工作电压为1.2-3.6V。由CC2430产生的40kHz方波信号被送至电路入口，其中一路经一级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去耦电容和大面积覆铜，经测试该电路板达到了功能要求的稳定性，如图4-5所示。图4-4 超声波发射电路24图4-5 超声波检测模块电路图4-6 超声波接收电路超声波接收电路由图4-6所示，由于增大了超声波发射功率，超声波发射和接收换能器间隔有5cm，距离较短。接收换能器输出的正弦回波信号的峰峰值可以达到200-300mV。本设计中，采