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

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

2、<p>　　題 目： 基于無線傳感器網絡的電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng) </p><p>　　指導者： </p><p>　　(姓 名) (專業(yè)技術職務)</p><p>　　評閱者：

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

4、t;/p><p>　　畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要i</p><p>　　畢業(yè)設計說明書（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 國內外研究現狀分析- 1 -</p><p>　　1.2 課題研究內容與擬解決的關鍵問題- 2 -</p><p>　　第2章 無線傳感器網絡與無線通信技術- 4 -</p><p>　　2.1 無線傳感器網絡的體系結構- 4 -</p><p>　　2.1.1通信體系結構- 4 -</p>&

6、lt;p>　　2.1.2網絡拓撲結構- 5 -</p><p>　　2.2ZigBee技術- 7 -</p><p>　　2.2.1ZigBee技術概述- 7 -</p><p>　　2.2.2 ZigBee技術的特點- 7 -</p><p>　　2.2.3ZigBee技術與其它接入技術的比較- 7 -</p

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

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

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

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

11、5.2采集節(jié)點的軟件設計- 21 -</p><p>　　5.3匯聚節(jié)點的軟件設計- 22 -</p><p>　　總結與展望- 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備，擔負著電壓、電流的轉換以及功率傳輸的任務，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、設計方法和制造技術的提高已經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)境以及現在的故障診斷手段還不夠完善、評定電力變壓器設備絕緣狀態(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解列事故中,變壓器故障造成的電網故障所占比例較大,隨著變電站

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

15、國內各企業(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，可以很容易將數據傳送到千里之外，電力技術人員也希望利用這一技術來實現生產的遠程監(jiān)測。利用微波技術來進行遠程通信不僅速度快，而且傳送距離遠。但是，在電力基地實現這一技術就必須利用衛(wèi)星通道或較大功率的微波站，其投資成本非常大，暫不現實。隨著小功率微波通信技術的發(fā)展，使得小范圍內的電力遠程監(jiān)測成為可能，而且在國內已經出現利用小功率微波通信設備進行遠程監(jiān)測的系統(tǒng)。小功率微波通信成

16、本大大降低，在我國內地少數電力平臺上已經開始采用這種設備進行監(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，產品化程度差等原因，這種技術沒有得到廣泛的推廣應用[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)測技術的研究。經過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，并生產了不少監(jiān)測設備，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。在國內也相繼開發(fā)了一些類似的設備，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、量的設備。</p><p>　　變壓器局部放電是反映高壓電氣設備狀態(tài)的一個重要標志。因為很多故障均產生局部放電。一般情況下，如果變壓器油中發(fā)現了特征氣體，則表明其內部已經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、數據采集技術等的不斷發(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用前景，光纖技術己經應用在局部放電超聲探測上[7]。國內外很多專家在變

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線部分埋設傳感器，由溫度測量儀測溫。間接計算法是根據假設的變壓器熱模型，結合各國實踐經驗來估算變壓器繞組的熱點溫度?，F在國內外已經把人工智能技術應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構復雜,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代故障診斷的要求[10]。</p><p>　　1.2 課題研究內容與擬解決的關鍵問題</p><p>　　如圖1.1所示是無線傳感器網絡整體結構。傳感器網絡系

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)內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其它傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，經過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。</p><p>　　本課題的目標是實現如圖1

23、-1所示的基于ZigBee技術和GPRS技術的無線傳感器網絡系統(tǒng)對電力變壓器的監(jiān)測。</p><p>　　圖 1-1無線傳感器網絡示意圖</p><p>　　論文一共分為五章，具體的內容及結構安排如下:</p><p>　　第一章:緒論。介紹電力變壓器在線監(jiān)測的意義，國內外電力變壓器監(jiān)測的發(fā)展現狀，結合我國目前的環(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:介紹了設計系統(tǒng)中應用的相關技術信息，包括傳感器網絡的簡單介紹，ZigBee技術與GPRS技術的工作原理和特點。 </p><p>　　第三章:整體給出系統(tǒng)的設計思路，并結合總體設計原則給出系統(tǒng)的總體結構框圖。</p><p>　　第四章：系統(tǒng)的硬件設計，介紹系統(tǒng)中各主要模塊的硬件設計，如采集節(jié)點、匯聚節(jié)點、電源模塊、串口轉換電路等。</p&g

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

26、類是水平結構。分簇層次結構可以有效均衡各傳感器網絡負載，避免路由建立時出現的泛洪問題，具有一定的發(fā)展?jié)摿?。整個網絡中有若干無線節(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，為了能夠將這些節(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)域內的節(jié)點分為一簇，簇與簇之間通過簇頭轉發(fā)節(jié)點進行簇間信息的轉發(fā)，簇頭轉發(fā)節(jié)點再將感知信息通過有線網絡傳送到控制中心。一個典型的無線傳感器網絡的體系構建包括分布式傳感器節(jié)點、接收和發(fā)送器、互聯(lián)

27、網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，負責傳感和信息預處理，響應監(jiān)控主機的指令和發(fā)送數據。每個節(jié)點都能收集數據并利用自帶的處理器對感知數據進行初級處理，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，功能是先對網絡中普通節(jié)點傳輸過來的數據進行初步處理(如計算、壓縮、去

28、除冗余等)，然后與外部網絡</p><p><b>　　通信體系結構</b></p><p>　　無線傳感器網絡一般采用分層的通信體系結構，通信體系結構由通信協(xié)議、WSN管理以及應用支撐技術三部分組成，該結構清晰地闡述了傳感器網絡組成中各部分的邏輯關系和研究的主要內容。</p><p><b>　　1 通信協(xié)議</b>&l

29、t;/p><p>　　無線傳感器網絡通信協(xié)議的研究包括:(l)研究現有通信協(xié)議的性能，分析各種現有協(xié)議的優(yōu)缺點并確定它們對于傳感器網絡的可用性:(2)以數據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)傳感器網絡的路徑重建技術的研究和面向應用的能源有效性路由算法的研究等。</p><p>　　無線傳感器網絡的協(xié)議棧結構分為四層:物理層、數據鏈路層、網絡層和高層的應用。建議增

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

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

32、><p><b>　　2 WSN管理</b></p><p><b>　　（1）能源管理</b></p><p>　　負責控制節(jié)點對能量的使用。在WSN中，電池供給的能源是有限的，為了延長網絡壽命，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>　　負責保持網絡連通和有效傳輸數據。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絡連通和數據有效傳輸的前提下，協(xié)調WSN中各個節(jié)點的工作和休眠狀態(tài)的轉換。</p><p><b>　?。?）網絡管理</b></p><p>　　負責網絡

34、維護、診斷，并向用戶提供網絡管理服務接口，通常包含數據收集、數據分析、數據處理和故障處理等功能。需要根據WSN的能量受限、自組織、節(jié)點易損壞等特點設計新型的分布式管理機制。</p><p>　?。?）Qos支持與網絡安全機制</p><p>　　QoS是指為應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)議中的數據鏈路層、網絡層和傳輸層都可以根據用戶的需求提供Qos支持。W

35、SN多用于軍事、商業(yè)領域，安全性是重要的研究內容。由于WSN中，傳感器節(jié)點隨機部署、網絡拓撲的動態(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，因此需要設計新型的網絡安全機制來滿足WSN的應用。</p><p><b>　　3 應用支承技術</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器及信道質量的依賴，縮短可能引起同步誤差的“關鍵路徑”;二是從能耗角度，研究節(jié)能高效的同步算法。</p><p><b>　　（2）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用中都起著至關重要的作用。如在軍事偵察、火災監(jiān)測等應用中，傳感器節(jié)點需要根據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，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>　?。?）應用開發(fā)環(huán)境層</p><p>　　為各種傳感器網絡應用

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>　　（4）應用層</b></p><p>　　由各種面向應用的軟件系統(tǒng)構成，研究各種傳感器網絡應用系統(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)、民用和工程設施安全監(jiān)測系統(tǒng)等。</p><p><b>　　網絡拓撲結構</b></p>

39、<p>　　常見的拓撲結構分類方法:星型結構(star)、網狀結構(Mesh)及混合網(星狀網十網狀網)。每種網絡結構都有自身的優(yōu)、缺點，可以根據無線傳感器網絡不同的應用要求來選擇不同的網絡拓撲結構?；镜男切屯負浣Y構(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)調器，終端節(jié)點為ZigBee終端設備;網絡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據或命令。在各種無線傳感器網絡中，星狀網整體功耗最低，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、距離較近的設備聯(lián)網。</p><p>　　圖2-1 星狀網絡拓撲</p><p>　　網狀拓撲結構是多跳(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、行數據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，因此具有很強的網絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。這種多跳系統(tǒng)比星型結構的傳輸距離遠得多，可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠比較分散的結構，但功耗也更大，因為節(jié)點必須一直“監(jiān)聽”網絡中某些路徑上的信息和變化。如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 網狀拓撲結構</p><p>　　混合網力求兼具星狀網的簡潔和低功

42、耗以及網狀網的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點。在混合網中，網絡協(xié)調器和中繼器組成網狀結構，而傳感器節(jié)點則在它們周圍呈星狀分布。中繼器擴展了網絡傳輸距離，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干擾時，網絡可在其它路由器周圍進行自組[12]。</p><p><b>　　ZigBee技術</b></p><p>

43、;　　ZigBee技術概述</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)盟負責制作網絡層以上的協(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)域網絡或802.llx無線局域網更簡單實用。Zig

44、Bee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作HomeRF Lite或FireFly無線技術，主要用于近距離無線連接。</p><p>　　ZigBee傳輸距離為10～100m范圍內，使用頻段為免費的2.4GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術，傳輸速率為20～250Kb/s，網絡架構具備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，可以實現監(jiān)測和控制的無線網絡而制定的，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域，，技術優(yōu)勢包括以下幾個方面:</p><p>　　（1） 協(xié)議簡單。

46、ZigBee采用基本的主一從結構配合靜態(tài)的星型網絡，因此更加適用于使用頻率低、傳輸速率低的設備;</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絡應用，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>　　（3） 時延短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型

47、值為15ms，活動設備信道接入時延為15ms，這對某些時間敏感的信息至關重要，另外還節(jié)省了能量消耗，能夠滿足大多數情況下應用的時延要求;</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)務采用預留專用時隙的策略，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。在接入層采用確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據包必須等待接收點的確認信息，才可發(fā)送下一個數據包;</p><

48、p>　?。?） 成本低。低數據速率、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>　?。?） 網絡容量大。每個ZigBee網絡最多可支持255個設備，也就是說每個ZigBee設備可以與另外254臺設備相連接，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡;</p><p>　　（7） 安全。

49、ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES一128加密算法，同時不同的應用可以依據各自的具體要求靈活確定其安全屬性;</p><p>　?。?） 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技術與其它接入技術的比較</p><p>　　目前，市場上的短距

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

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

52、用。藍牙技術發(fā)展從1999年起歷經多年，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。目前主要應用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領域，且互通性方面也存在問題。與藍牙技術相比，ZigBee技術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市場:采用IEEE802.llb標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數據傳輸速率為nMbPs，并可根據信號強弱把傳輸速率調整為5.SMbps、ZMbps和IMbps;采用最新的802.119時，速率可達54MbPs，是目前應用最廣的無線網絡傳輸協(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作為網絡層。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)場合的推廣和應用。</p><p>　?。?）紅外通訊技術（IrDA）</p><p>　　IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術。IrDA標準的無線設備傳輸速率已從115.2kbPs逐步發(fā)展到4MbPs、16MbPs。支持它的軟

56、硬件技術都很成熟，在小型移動設備上被廣泛使用。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)只能實現點到點連接，不能同時鏈接多臺設備，無法靈活構成網絡，而ZigBee至少可以同時鏈接255臺設備。(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必須在視距范圍內定向傳輸，中間不能出現阻擋，同時要求通信設備的位置相對固定，無法

57、用于移動設備，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用于雙向數據傳輸時，通信距離最大不能超過lm，而ZigBee至少可達到10m以上。(e)紅外技術的標準目前全球并不統(tǒng)一，不同設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上的廣泛應用，無線USB也

58、受Intel、HP、微軟等幾家PC領域大公司的力推，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，有望短期內在PC周邊設備的無線連接上得到大量應用.</p><p><b>　?。?） UWB</b></p><p>　　UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術。由于未采用通常

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

60、/p><p>　　GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務)是一組采用分組交換的高效率數據傳輸方式，是一種新的承載業(yè)務，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據業(yè)務。GPRS采用與GSM相同的突發(fā)結構、相同的頻帶、無線調制標準、相同的TDMA(時分多址)幀結構和相同的跳頻規(guī)則。該新型的分組數據信道與目前的電路交換語音業(yè)務信道基本一致，因而現有的基站子

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絡資源。為用戶提供了高效廉價的通用分組無線業(yè)務，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，就能夠實現數據的遠距離傳輸。利用GPRS技術實現無線分組數據傳輸，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，已經是全球最大的移動通信系統(tǒng)。然而，首先是數據傳輸速率特別低，不能傳輸需要高速數據傳輸的信息，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多媒體通信的巨大的需求。GPRS在很大程度上彌補了GSM

63、網絡的這些不足，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，分組交換的基本原理是把原始的數據包先分成若干個小數據包，利用不同的路由的接力，經過一系列的存儲和轉發(fā)過程傳到接收端，最后組裝成完整的數據。分組交換技術沒有固定延時，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”，有數據時占用帶寬，無數據則不使用，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，能夠減少中間網絡層能量不必要的消耗，也能在網絡的某些環(huán)節(jié)上增加控制，增加可靠性。另外利用設置服務等級等方式，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據應用。</p><p>　　2.數據傳輸速度大大地得到了提高，以往只能有面向文本的數據使用的功能，而GPRS使圖片、語音與視頻等多媒體業(yè)務變成現實。GPRS手機用戶還能隨時隨地發(fā)送和接收電子郵件，收發(fā)彩色數碼照

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

66、RS的計費是通過傳輸數據的流量而并非取決于上網時間的長短。</p><p>　　5.實時性。與短信服務相比，沒有延時，能很好地滿足用戶對數據傳輸實時性的要求。</p><p>　　6.GPRS網絡接入時間短，提供了和現有網絡的無縫接入。GPRS網本身是一個分組型的數據網，它支持TCP/IP和X25協(xié)議，不需經過PSTN等網絡的轉接，直接能和互聯(lián)網或X25網互通，接入時間僅僅幾秒鐘，比電路型

67、數據業(yè)務要快得多[16]。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的總體設計</p><p><b>　　系統(tǒng)的總體設計原則</b></p><p>　　無線傳感器網絡的載波媒體可能的選擇包括紅外線、激光和無線電波。為了提高網絡的環(huán)境適應性，所選擇的傳輸媒體應該是在多數地區(qū)內都可以使用的。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，這對于節(jié)點隨機分布的無線傳感器網絡來說，難以實現，因而使用受到了限制。在國外己經建立起來的無線傳感器網絡中，多數傳感器節(jié)點的硬件設計多基于射頻電路。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絡節(jié)點的制作工藝及各種不同場合下的應用分析，總結了以下幾個方面的基本設計原則:</p><p>　?。?）節(jié)能是傳感器網絡節(jié)點設計最主要的問題。無線傳感器網絡要部署在人們無法接近的場所，而且不常更換供電設備，對節(jié)點功耗要求就非常嚴格。在設計過程中，應采用合理的能量監(jiān)測與控制機制，功耗要限制在幾十毫瓦甚至更低數量級。</p><p>　?。?）成本

70、的高低是衡量傳感器網絡節(jié)點設計好壞的重要指標。傳感器網絡節(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)點的各個模塊的設計不能特別復雜，否則不利于降低成本。</p><p>　?。?）微型化是傳感器網絡追求的終極目標。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>　?。?）可擴展性也是

71、設計中必須考慮的問題。節(jié)點應當在具備通用處理器和通信模塊的基礎上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應不同的組件。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的技術優(yōu)勢</p><p>　　ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本，工作在2.4 GHz和868／915 MHz的無線網絡技術，他是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，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絡接入，能夠滿足對各種傳感器的數據輸出和輸入控制命令和信息的需求使現有系統(tǒng)網絡化、無線化。ZigBee技術采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術與嵌入ZigBee技術協(xié)議棧的組合；他依據IEEE 802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信。這些傳感器設計成只需要很少的能量的裝置，并以接力的方式將數據從一個傳感器無線傳到另一個傳感器，依次傳遞

73、，以構成一個無線傳感器網絡。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(如無線傳感器網絡)、家庭智能控制和樓宇自動化(如照明控制)等領域的應用。通常符合以下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術：</p><p>　　(1)設備成本很低，傳輸的數據量很小；</p><p>　　(2)設備體積很小，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，網絡中設備非常多，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)已經在一些化工配電和電力生產單位

75、中得到廣泛的應用但是其數據傳輸的方法和手段還很落后，如果采用無線傳感器技術將會使變壓器狀態(tài)在線監(jiān)控的數據傳輸的穩(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主要方向是ZigBee技術，本系統(tǒng)就是基于ZigBee技術基礎上的，完全能夠滿足高速數據采集和實時數據通訊的要求。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的總體結構</p><p>　　系統(tǒng)的總體結構如圖3-1所示。</p&g

76、t;<p>　　圖3-1 系統(tǒng)總體結構圖</p><p>　　無線傳感器節(jié)點執(zhí)行數據采集、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)點主要完成數據的采集和一些相關的執(zhí)行指令的工作，匯聚節(jié)點主要完成數據的匯總，數據信息的發(fā)送和接受任務。整個網絡由若干采集節(jié)點和匯聚節(jié)點組成的數據采集發(fā)送系統(tǒng)與數據接收終端組成，網絡采用星型拓撲結構。接收設備與計算機監(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)的硬件設計</p><p><b>　　采集節(jié)點的硬件設計</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換時耗時極短，該芯片對電池壽命有很高要求的應用場合非常適合。</p><p>　　CC2430芯片沿用了以往CC2420射頻芯片架構，在一個芯片上內嵌有Z

79、igBee的RF收發(fā)、內存以及微控制器。應用增強型的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/數字轉換器(ADC)、4個Timer（定時器）、

80、上電復位電路、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換時間極短。數字部分的時鐘分塊控制技術被用于降低動態(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與高速內核間的矛盾，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操作，但是他們與輸入/輸出操作無關。所以，當遇到高速外設時，中斷方式顯得很吃力。CC2430需要在內存和外設間開辟一條專門的數據通道以提高數據的存儲效率。該數據通道在進行數據交換時，不通過8

82、051內核，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加密標準，實現數據的加密。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功能，包括：測量時間間隔，產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（模數轉換器）與普通的單片機的8位ADC（模數轉換器）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)生器和經過DMA模式把轉換結果寫入到內存控制器。CC2430的ADC能夠對電池電壓進行檢測、還能通過標定的方式測量外界溫度。CC2430還配置了實時時鐘、上電復位等外設[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>　　支持數字化的RSSI（信號接收強度）/LQI（鏈路接收質量）和強大的DMA（直接內存訪問）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位模數轉換的ADC（模數轉換器）； </p><p>　　強大和靈活的開發(fā)工具。</p><p>　　CC2430外

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

88、。</p><p><b>　　采集節(jié)點的電路設計</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微波傳輸導線構成，整個結構的

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)構成。1.8V電壓的引腳及內部電源由電壓調節(jié)器負責供電，其它的所有接地的電容是去耦電容，能夠對電源進行濾波，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，我們應通過一個適當的帶有電阻的電路將電流轉換為電壓，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）、測試網絡接口、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內部負責所有語音、數據等的處理，內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)模式進行數據的傳輸。它內部集成了26MHz的MCU微處

92、理器單元、GMSK調節(jié)器以及靜態(tài)78MHz的DSP（數字信號處理）內核、模擬與數字話音濾波器及AD/DA轉換器、具有微處理器和DSP程序或數據存儲器、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)點的電路設計</p><p>　　在

93、設計中匯聚節(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，因此設計中兩個芯片通過一個電平轉換電路進行連接，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>　　接收終端的設計</b></p><p>　　本設計的接收終端采用以M

95、C39i為核心的GPRS模塊對數據進行接收和發(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據監(jiān)控，指令的發(fā)送，數據分析處理等功能[20]。</p><p><b>　　電源模塊的設計</b></p><p>　　CC2430模塊電壓范圍是2～3.3V?？紤]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節(jié)器，它可以用在一些類似于ZigBee模

97、塊的小封裝的設計中。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%的線性調整率和0.2%的負載調整率。</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>　　串口轉換電路設計</b></p><p>　　CC2430與MC39i都具有USART，可以根據需要，選擇適當的USART口與串口電路相連接，以實現數據采集模塊和數據接收模塊的功能，方便與RS232口電路進行連接。本設計中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 串口轉換電路圖</p><p>　　第5章 系統(tǒng)的軟件設計</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的總體設計</b></p><p>　　無線傳感器網絡的軟件層

101、包括三個層次:硬件抽象層、系統(tǒng)服務層和應用層。硬件抽象層實現對硬件平臺(供電、數據采集、數據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)服務層包括通信服務、傳感服務、能耗管理服務、實時內核等部分，在這個層次中除了實現操作系統(tǒng)如任務調度、信號量等內核服務外，還將完成各種路由、安全算法的實現，并支持各類通信傳輸協(xié)議。應用層是由用戶根據具體應用的需要定義，利用系統(tǒng)服務層提供的接口，能方便的設計出上層軟件。<

102、/p><p>　　為了增加ZigBee無線傳感器網絡的容量以及解決傳感器網絡中一個重要的能源供給的問題，本網絡中協(xié)調器節(jié)點和設備節(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，延長網絡的壽命。網絡中存在著三種數據傳輸方式:設備節(jié)點發(fā)送數據給協(xié)調器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點發(fā)送數據給設備節(jié)點、對等設備之間的數據傳輸。星型拓撲網絡中只存在前兩種數據傳輸方式，即數據只在協(xié)調

103、器節(jié)點和設備節(jié)點之間交換。而在點對點拓撲網絡中三種數據傳輸方式都存在。節(jié)點采用串口通信模式，利用中斷來完成數據的接收和發(fā)送。數據傳送采用主從節(jié)點方式，設備節(jié)點可以向協(xié)調器節(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。網絡內數據傳輸是根據無線模塊的網絡號、網絡內地址進行的，在初始設置的時候，先設定每個無線模塊所屬網絡的網絡號，再設定每個無線模塊的地址，通過這種方法，確定了網絡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的節(jié)點數，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、模式轉換模塊、通信服務模塊(包括數據處理模塊、打包發(fā)送模塊、中斷接收模塊)等。主程序處理模塊用來調用其它模塊完成應該實現的功能;初始化模塊用來初始化單片機串口和設置zigBee模塊的一些參數，包括內部各種寄存器的設置、工作模式的設置(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)點間的數據鏈路;通信服務模塊中，數據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)來的數據，信息包接收完成后執(zhí)行校驗，并根據校驗結果決定是丟棄該幀還是做出相應的反應。</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)行通信服務子程序，利用串行口中斷發(fā)送或接收信息包。接收數據時調用接收數據處理子程序分析節(jié)點發(fā)來的事件，對不同的數據類型(廣播幀、數據幀等)做出相應的處理;接收完成后還要執(zhí)行校驗，根據校驗結果決定是丟棄該幀，還是做出相應的反

107、應。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。若有多個設備節(jié)點同時向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送請求，協(xié)調器節(jié)點來不及響應處理而丟掉一些請求，發(fā)現自己的請求未得到響應的設備節(jié)點過幾秒鐘再次發(fā)出請求，直到得到協(xié)調器節(jié)點的響應為止。發(fā)送數據時調用發(fā)送數據處理子程序對數據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)點的軟件設計</b></p><