简述ZigBee无线传感器网络的有线通信与管理

 

　　很多人都认为，无线传感器网络的重要性可与因特网相媲美：正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。它甚至被人称为一种全新类型的计算机系统，这就是因为它区别于过去硬件的可到处散布的特点以及集体分析能力。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

　　在电力系统中，高电压、大电流供电设备随处可见，这些设备在母线承载电流过大或开关接触电阻过大时，极易引起过高的温升，若得不到及时解决将使绝缘部件性能降低，甚至导致击穿，造成恶性事故。因此及时测量高压母线接头和高压开关触点温度，为采取有效措施提供信息，将是电力系统安全运行的重要保障。

　　目前，专门用于测量高压母线接头和高压开关触点温度的方法有以下三种：

　　其一、在母线接头和开关触点的表面涂一层随温度变化而改变颜色的材料（如感温腊），通过观察其颜色变化来大致确定温度范围。这种方法准确度低、可读性差，不能进行定量和实时测量，方法原始且对员工的要求高。

　　其二、利用红外测量仪，操作人员定时手持仪器对准母线接头和高压开关触点进行测量。这种方法在 0℃～200℃之间的温度值误差小、准确度高，但是，仍然无法做到实时测量，且价格高、光学器件在高压场合使用不便。

　　其三、目前的无线测温设备。由于无线发射设备本身供电功率较大并要求高压绝缘，用于检测高等级电压回路，成本很高，无法普及。

　　针对上述几种方案优缺点的分析，本文在研究无线传感器网络节点设备的基础上，设计了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络测温管理系统。通过采用 ZigBee组网技术，实现了对电力系统的高压和超高压母线、高压开关接点温度的实时在线检测，并通过互联网在监控中心实时监视运行状态，真正做到了远距离遥测。 1 应用方案设计

　　无线传感器网络测温管理系统由传感器节点（ RFD）、网络协调器（ FFD）及监控中心组成。如所示。传感器节点（RFD）用于采集监测信息并发送给网络协调器（FFD）；网络协调器用于建立一个新的无线传感器网络，接收信息，发送控制命令；监控中心（通用计算机）通过RS-232串口实现与网络协调器的通信。

 
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　　2 ZigBee体系结构

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。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。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

　　基于IEEE 802.15.4技术标准的 ZigBee体系结构如所示。ZigBee技术的物理（ PHY）层和介质访问控制（ MAC）层协议主要采用 IEEE802.15.4标准，而 ZigBee联盟负责网络层和应用层的开发，以及制定其安全协议和市场推广等。介质访问控制（ MAC）层实现了 IEEE

　　802.15.4规范所要求的功能，并负责同物理（ PHY）层进行交互；网络（ NWK）层负责建立和维护网络连接，它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求； ZigBee应用层框架包括应用支持子（APS）层、ZigBee设备对象（ ZDO）和制造商所定义的应用对象。 APS层主要提供 ZigBee端点接口，应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。 

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　　3 传感器节点硬件设计

　　传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

　　无线传感器节点的部件采用Chipcon公司生产的 2.4GHz射频系统单芯片CC2430。该单芯片上整合了ZigBee RF前端、内存和微控制器等。其结构框图如图 3所示。

 
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　　CC2430芯片只需少量外围部件配合就能实现信号的收发功能。无线测温传感器电路如所示： 

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　　DS1822是一种一线数字温度计，它用一根信号线来实现互连通信，其内部电路的是一个直接数字输出的温度传感器。它可以将 -55℃~125℃范围内的温度值按 9位、10位、11位、12位的分辨率进行量化，其分辨率为 0.625℃，工作电压范围为 3.0 V~5.5 V。每一片DS1822都有一个的且不可改写的 ROM ID（标识码，即电子序列号），在实际应用中可以通过指令方便地进行查询。CC2430通过定时采样 DS1822的温度值，可以降低功耗。

　　FFD（网络协调器）的电路图与 RFD（传感器节点）的电路图基本类似，只是在 FFD的电路图中增加了一片RS-232接口芯片MAX3243，实现 CC2430与监控中心的通信。 4 传感器节点软件设计

　　软件部分需要解决的问题包括：温度及报警信息的采集；ZigBee协议栈（ Z-Stack）； ZigBee与PC机的通信等。温度及报警信息的采集可由 CC2430芯片内部的MCU完成。ZigBee协议栈运行在一个OSAL（操作系统抽象层）操作系统上，该操作系统基于任务调度机制，通过对任务的事件触发来实现任务调度。每个任务都包含若干个事件，每个事件都对应一个事件号。

　　当一个RFD节点初始化完成之后，如果此时在其高频覆盖范围内有一个网络协调器处于正常工作状态，而RFD节点又与该网络协调器同频时，可以调用aplJoinNetwork（）函数加入当前的网络协调器。

　　首先RFD节点上电后扫描网络中是否有网络协调器。如果此时主机存在，主机会自动应答RFD节点，当RFD节点收到主机的3次应答信号后， RFD节点就向网络协调器发送自己的 64位物理地址。之后网络协调器收到 RFD节点发送上来的 64位物理地址后，根据加入的先后给RFD节点分配16位的短网络地址。此时 RFD节点加入网络成功。

　　CC2430中含有两个串行通信接口 USART0和USART1。利用 USART0进行通信时需要对其串行通信的模式、传输的波特率及相关的通信协议进行定义。需要初始化的寄存器有： U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制与状态寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。

　　针对网络协调器（路由节点）和 RFD节点，程序所用的协议栈是一样的，所以都在一个工程中，主程序包含所有节点的初始化程序，利用条件编译分别到不同的节点中。限于篇幅，文中只给出了与上位机通信相关的FFD主程序：

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　　5 监控界面设计

　　//CC2430初始化 //初始化协议栈 //使能中断  //P1端口输出模式设定

　　//P0.5接LED，显示协调器的状态

　　//p1_0、p1_3点亮   //格式化一个新的网络 //等待格式化网络完成

　　//起始位为低电平，停止位为高电平   //一帧数据为10位 //UART模式，接收使能 //波特率为57600bps

　　//应用层处理函数

　　//发起始字符 // UTX0IF=0时，字符发送成功 //屏蔽发送完成中断

　　//节点地址

　　//屏蔽发送完成中断 //发送节点温度

　　//使能接收  //读接收缓冲器的值  //y为上位机控制信息 //屏蔽接收完成中断

　　监控界面使用VB6.0可视化程序设计语言开发。利用 VB6.0提供的 MSComm串行通信控件，可以方便的实现计算机与 CC2430之间的串行通信。监控中心通过 RS-232实现与 FFD的串行通信。从而实现监控中心实时监测 FFD和RFD的工作状态，并可以对 FFD和RFD实施控制。监控中心与 FFD设定的通信协议为：波特率为 57600bps，1位起始位， 8位数据位， 1位停止位，无奇偶校验位。为了使用 MSComm控件，需要在“部件”对话框的“控件”选项卡中选中“ Microsoft Comm Control 6.0”选项，单击“确定”按钮后控件将被添加到Visual Basic的工具箱中。

　　Visual Basic6.0是面向对象的可视化程序设计语言，采用事件驱动的编程机制，对各个对象需要响应的事件分别编写程序代码，对每个事件过程的程序代码来说，一般比较短小简单，调试维护也比较容易。本控制系统上位机监控程序需要响应的事件

　　有：退出监控界面事件、控制设定事件、装载事件（初始化通信口）、定时器事件、信息接收事件等。限于篇幅，本文只列出装载事件的程序代码及注释。 Private Sub Form_Load（ ） '装载事件，运行监控界面时发生

 

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　　实验与结论

　　基于 CC2430的 ZigBee无线传感器网络管理系统通过在南阳某 110kV变电站进行的测试，获得了良好的效果。测试用无线传感器网络管理系统的硬件部分由 6个 RFD节点、1个 FFD节点及一台笔记本电脑组成。测试的相关数据如下： RFD与 FFD的通信距离远可达 180米（加长天线）， FFD与 PC通信距离可达 10米（制作的 RS-232数据线为 10米），无线传感器网络建立的时间小于 1秒，RFD加入网络的时间小于 0.5秒，PC机上的监控信息刷新时间小于 1秒，达到实时监控的要求。变电站的电磁干扰对无线传感器网络管理系统无影响。测试的结果表明，本文所设计开发的无线传感器网络管理系统是成功的，具有很好的应用价值。

　　本文作者创新点：设计了一种无线传感器网络测温管理系统，通过采用 ZigBee组网技术，实现了对电力系统的高压和超高压母线、高压开关接点温度的实时在线检测，并通过互联网在监控中心实时监视运行状态，真正做到了远距离遥测。