【正文】 、應(yīng)用層由 ZigBee 聯(lián)盟制訂。 ZigBee 技術(shù)是一種基于 IEEE 協(xié)議標準的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備 之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，己成當下較為流行的無線通信技術(shù)。這樣既能省去人為采集的麻煩，也不再需要鋪設(shè)較長 的傳輸線，為變 電站的溫 度檢測帶來 便捷 [4]。因此，為智能變電站設(shè)計可靠且實用的溫 度采集系統(tǒng)非常重要。 終端節(jié)點負責(zé)將 SHT10 所采集到的信息反饋給協(xié)調(diào)器， 協(xié)調(diào)器負責(zé) 接收和存儲 終端節(jié)點發(fā)送來的信息，并向終端 節(jié)點發(fā)布網(wǎng)絡(luò)控制信號， 利用串口通信技術(shù)與上位機進行通信。 基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的智能變電站溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 摘 要 針對當前變電站常規(guī)測溫手段實時性能差、受安裝環(huán)境限制大、無法實現(xiàn)對封閉設(shè)備等測溫 度 的難題 , 本文提出了 將 ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)運用于智能變電站測溫 度系統(tǒng)的方案。 該網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器充當中心節(jié)點和若干 終端節(jié)點一起，構(gòu)成一個星 型網(wǎng)絡(luò)。 附錄 2 ............................................................................................................................... 37 外文資料 .......................................................................................................................... 54 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 1 1 引 言 課題背景 隨著供電負荷的迅速增加以及供電設(shè)備的老化，變電站由于輸變線路接頭溫度過高引起的火災(zāi)、爆炸現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響到用電安全， 給供電、用電雙方帶來巨大的經(jīng)濟損失， 近年來， 對變電站災(zāi)害的實時監(jiān)測、預(yù)警成為電力系統(tǒng)研究的熱點和難點 [10]。 于是我們現(xiàn)在就需要一種技術(shù)，能夠?qū)ψ冸娬镜臏?度參數(shù)進行無線采集。藍牙技術(shù)是一種短距離的無線傳輸應(yīng)用技術(shù)，比較紅外技術(shù)它通信更方便，而且穩(wěn)定，但是成本和功耗都較高。因此，適合采用 ZigBee 技術(shù)來做智能變電站的數(shù)據(jù)傳輸。 ZigBee 聯(lián)盟的主要目標是以通過加入無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的 電子產(chǎn)品。 2021 年 4 月，已有 Texas Instruments, Freeseale, CompXs, Ember 等四家公司通過了 ZigBee 聯(lián)盟對其產(chǎn)品所作的測試和兼容性驗證。該系統(tǒng)具有擴展性好、穩(wěn)定可靠、維護方便等特點 。 第四章介紹了該設(shè)計的測試過程和調(diào)試過程。在此之前 ZigBee 也被稱為“HomeRF Lite”、 “RF EasyLink”或 “fireFly”無線電 技術(shù)，目前統(tǒng)稱為 ZigBee[11]。 ZigBee 是一個由可多到 65000 個 無線數(shù)傳模塊 組成的一個無線 數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的 75m 無限擴展 [7]。除此之外，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 (FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點 (RFD)無線連接。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 4 :ZigBee 的響應(yīng)速度較快，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要 15ms，典型的搜索設(shè)備時延為 30ms ,活動設(shè)備信通接入的時延為 15ms。 MAC 層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā) 。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。藍牙，是一種無線 個人局域網(wǎng)，讓各種數(shù)碼設(shè)備之間能夠無線溝通。 技術(shù) 超寬帶（ UWB）技術(shù)起源于 20 世 紀 50 年代末，主要作為軍事技術(shù)在雷達探測和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用。當前， IrDA 技術(shù)的軟件和硬件都已經(jīng)比較成熟，主要的技術(shù)優(yōu)勢有以下幾個：無需專門申請?zhí)囟l率的使用執(zhí)照；具有移動通信設(shè) 備所必需的體積小、功率低的特點。其次， IrDA 設(shè)備中的核心部件紅外 LED 不是一種耐久部件。因此 ZigBee 技術(shù)廣泛應(yīng)用在短距離低速率電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議棧的層與層之間通過服務(wù)接入點完成數(shù)據(jù)交換。物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)；通過物理層管理實體服務(wù)訪問點 提供物理層管理服務(wù)。使用 CSMACA 機制接入無線信道?？筛鶕?jù)唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 7 具體的應(yīng)用需求，選擇適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個重要的功能是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對象。 ZStack 協(xié)議棧是 ZigBee 技術(shù)的核心，所實現(xiàn)的功能越來越完善 [6]。第二種： Zi gBee2021 規(guī)范，它是一個公開的半開源的協(xié)議棧，相比較 ZigBee2021，安全性更高、層次性更強、功耗更小，而且最重要的是實現(xiàn)了網(wǎng)狀組網(wǎng)，實現(xiàn)了ZigBee 的向后兼容性。 表 23 MsstatePan協(xié)議棧和 ZStack協(xié)議棧的異同點 功能屬性 ZStack 協(xié)議棧 MsstatePan 協(xié)議棧 路由 Meshamp。消息模式 動態(tài)綁定、靜態(tài)綁定 動態(tài)綁定、靜態(tài)綁 定 信標使能 是 是 ZigBee 廣播支持 是 是 APS 應(yīng)答支持 是 是 安全加密 是 否 數(shù)據(jù)包緩存代理支持 是 否 HEX 文件容量 200KB 80KB 休眠功能支持 是 否 PC 端調(diào)試器 MT 支持 是 否 串口調(diào)試信息打印 否 是 由 表 23 可知， MsstatePan 協(xié)議棧與 ZStack 協(xié)議棧相比，雖然不能實現(xiàn)安全加密、數(shù)據(jù)包緩存代理支持、休眠以及 MT 調(diào)試功能，但是總的來說比較簡潔，可以實現(xiàn) ZigBee 的基本功能 [15]。本文采用的硬件平臺是 CC2430EM，編譯器采用的是 IAR 集成開發(fā)環(huán)境。該協(xié)議棧的構(gòu)架如圖 24 所示。 aplRegisterEndPoint(DATA_EP)：端點注冊操作，每一個端點對應(yīng)一個應(yīng)用對象。該協(xié)議棧的運行采用嵌套調(diào)用的方式，即上層有限狀態(tài)機內(nèi)部調(diào)用下層有限狀態(tài)機。 表 25 協(xié)議棧文件 文件名 概述 堆棧主要頭文件，需要包含在應(yīng)用程序 ，地址表函數(shù) 宏定義 堆棧配置宏定義 多數(shù)文件應(yīng)用通用型號 , 在 HAL 和評估板上提供的可移植函數(shù)原型 MsstatePAN協(xié)議 編程 對于實際應(yīng)用 MsstatePAN 協(xié)議棧來說，最重要的是協(xié)議棧的 APL 函數(shù)。 所有的應(yīng)用層函數(shù)都以 apl 或者 aps 開頭，并且它們都存放在 src/stack/ 中。 表 26 列出了目前可用的 apl 服務(wù)，這些服務(wù)都會引發(fā)一些形式的消息在網(wǎng)絡(luò)上交換，同時需要調(diào)用 apsBusy()函數(shù)來判定何時服務(wù)完成以及 aplGetStatus()函數(shù)返回的狀態(tài)。全功能器件 擁有完整的協(xié)議功能，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為協(xié)調(diào)器，路由器和普通節(jié)點。其中協(xié)調(diào)器和路由器均為 FFD,而終端設(shè)備選用 RFD. 協(xié)調(diào)器 :一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) PAN 有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò) ，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護網(wǎng)絡(luò)等，需要更多的存儲空間和計算能力。一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點主動通信。其他節(jié)點一般為 RFD，也可以是 FFD,它們分布在協(xié)調(diào)器覆蓋的范圍內(nèi)，直接與 ZigBee 協(xié)調(diào)器進行通信。 網(wǎng)狀網(wǎng) :一般由若干個 FFD 連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互聯(lián)，但他們中也有一個會被推薦為 Zi gBee 協(xié)調(diào)器。這是一個 星 型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底部為傳感器終端設(shè)備，向上 是 協(xié)調(diào)器和上位機。 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)參數(shù)及功能的設(shè)計 重要參數(shù)的設(shè)計 根據(jù)查看資料和文獻可知， 變電室 溫度 在 25℃左右 時 最佳，這樣的環(huán)境才可以保持 變電站正常安全工作 。 本系統(tǒng)可 實時監(jiān)測變電站 溫 度，使管理更加高效，采集數(shù)據(jù)更加精確，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加直觀，完全減免人力資源。接口設(shè)備有 CC2430 多功能仿真器以及 UART 串行接口。 8， 9 腳 (P1_0， P1_1)： 具有 20 mA 的驅(qū)動能力。 20 腳 (AVDD_SOC)： 為模擬電路連接 ～ V 的電壓。 27 腳 (AVDD_CHP)： 為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供 V 電壓。 31 腳 (AVDD_RF1)： 為 LNA、前置偏置電路和 PA 提供 V 的電壓。 37 腳 (AVDD_IF2)： 為低通濾波器和 VGA 的最后部分電路提供 V 電壓。 41 腳 (AVDD_DREG)： 向電壓調(diào)節(jié)器核心提供 ～ V 電壓。 19 腳 (XOSC_Q2)： 32 MHz 的晶振引腳 2。1%。 44 腳 (P2_4/XOSC_Q1)： kHz XOSC 的 端口。根據(jù)芯片內(nèi)置內(nèi)存的不同容量，提供給用戶 3 個版本，即 CC2430F32/64/128，分別對應(yīng)內(nèi)置內(nèi)存 32/64/128KB。 CC2430 芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，它是目前國內(nèi)外嵌入式射頻芯片中應(yīng)用比較廣泛的一種，結(jié)合了市場領(lǐng)先的 ZStackTM、ZigBeeTM 協(xié)議軟件和其他 Chipcon 公司的軟件工具，為開發(fā)出無接口、緊湊、高性能和可靠的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品提供了便利。 SHT10 介紹 SHT10 是瑞 士 Sensirion 公司推出的新型溫濕度傳感器。最后，傳感器可直接通過 I2C 總線與任何類型的微處理器、微控制器系統(tǒng)連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式。 IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境 圖 51 IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境 打開一個 新工程的界面， 并添加新文件 如圖 51 所示。嵌入式IAR Embedded Workbench IDE 提供一個框架 ， 任何可用的工具都可以完整地嵌入其中 ， 這些工具包括 ： IAR AVR C/C++編譯器 ； IAR 匯編器 ； IAR XLINK Linker； ； ； 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 20 ； 。 圖 52 smartrf flash programmer主界面 將 仿真器與 CC2430 模塊連接好，復(fù)位仿真器， Flash image 為 hex 文件路徑，選擇找到 已 生成的 hex 文件，點擊 perform actions 并 將程序燒寫進 CC2431 芯片。 串口助手 界面如圖 54 所示。本系統(tǒng)正是利用 Labview 的虛擬儀器技術(shù)對溫濕度傳感器的信號進行采集。 終端節(jié)點打開電源，然后初始化、 嘗試加入網(wǎng)絡(luò)， 當收到外部中斷時給 SHT10發(fā)送查詢指令，等待 SHT10 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送完畢后 繼續(xù)進入休眠狀態(tài)，等待有請求時再次激活。程序執(zhí)行 aplJoinNetwork()后運行堆棧。 //初始化協(xié)議棧中的其它部分 ENABLE_GLOBAL_INTERRURT()。} //等待直到結(jié)束 }while(aplGetStatus()!=LRWPAN_SUCCESS)。在程序開始，微處理器需要用一組“啟動傳輸”時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?，如圖 58 所示。在正確接收到 ACK 應(yīng)答后的大約 55ms 內(nèi)傳感器就能計算出采集到的溫 度值，并且通過在 DATA 引腳輸出低電平表示計算的完成。 halWait(2)。 halWait(2)。 N N Y Y 設(shè)備初始化 立網(wǎng)絡(luò) 初始化 發(fā)送傳輸開始命令 寫入數(shù)據(jù)采集命令 返 回 ACK 等待 55ms DATA 變低 接收數(shù)據(jù)后下拉DATA表示結(jié)束 是否超時？ N Y 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 26 halWait(250)。 halWait(3)。 break。 halWait(1)。 SCK = 0。i++){ SCK = 1。 HI = HI|READ。 } 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 27 //發(fā)送 ACK 給傳感器 P1DIR |= 0X02。 SCK = 0。 //繼續(xù)接受后八位的數(shù)據(jù) SCK = 1。 halWait(1)。i7。 LO = LO1。 halWai