【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由的能力。一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng):由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心。其他節(jié)點(diǎn)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(jìn)行通信。星型網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，一般用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。樹(shù)狀網(wǎng):由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)形狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時(shí)延也會(huì)增大。網(wǎng)狀網(wǎng):一般由若干個(gè)FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互聯(lián)，但他們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性。缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間。3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)上位機(jī)終端節(jié)點(diǎn)1終端節(jié)點(diǎn)n協(xié)調(diào)器RS232總線………整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控主機(jī)組成，如圖31所示。這是一個(gè)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(jī)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行管理和維護(hù)，包括對(duì)新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)的加入和離開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)安全密鑰的發(fā)布更新等，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集溫度信息并將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。圖31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)查看資料和文獻(xiàn)可知，變電室溫度在25℃左右時(shí)最佳，這樣的環(huán)境才可以保持變電站正常安全工作。故本系統(tǒng)的檢測(cè)范圍設(shè)計(jì)如下：溫度范圍：0℃～40℃；報(bào)警溫度：＞50℃；：制作監(jiān)測(cè)軟件，在軟件中可以自己設(shè)定報(bào)警溫度的上下限。：連續(xù)如實(shí)的采集和記錄溫度的情況，通過(guò)上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)，并可通過(guò)曲線的形式更加直觀的觀察到溫度的波動(dòng)情況。：當(dāng)溫度超出正常數(shù)值的上下限時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警。本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)更加直觀，完全減免人力資源。 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)傳感器模塊通用接口微處理器模塊無(wú)線收發(fā)模塊電源模塊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要由無(wú)線收發(fā)模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及其他一些外圍電路和模塊組成，如圖41所示。圖41 硬件連接圖微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等；傳感器模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳送給微處理器模塊；無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)；電源模塊管理單元為各個(gè)設(shè)備提供電源服務(wù)。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)微處理器模塊采用CC2430芯片，傳感器模塊以溫濕度傳感器SHT10為主要對(duì)象。接口設(shè)備有CC2430多功能仿真器以及UART串行接口。實(shí)物連接如圖42所示。圖42 實(shí)物連接圖 CC2430引腳功能CC2430引腳排列如圖43所示。圖43 CC2430引腳排列圖1～6腳(P1_2～P1_7)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。 8，9腳(P1_0，P1_1)：具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力。 11～18腳(P0_0～P0_7)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。 43，44，45，46，48腳(P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。7腳(DVDD)：為I/～ V工作電壓。 20腳(AVDD_SOC)：～ V的電壓。 23腳(AVDD_RREG)：～ V的電壓。 24腳(RREG_OUT)：為 25，27～31，35～ V的穩(wěn)定電壓。 25腳(AVDD_IF1)：為接收器波段濾波器、 V電壓。 27腳(AVDD_CHP)： V電壓。 28腳(VCO_GUARD)：VCO屏蔽電路的報(bào)警連接端口。 29腳 (AVDD_VCO)： V電壓。 30腳 (AVDD_PRE)：為預(yù)定標(biāo)器、Div V的電壓。 31腳 (AVDD_RF1)：為L(zhǎng)NA、 V的電壓。 33腳 (TXRX_SWITCH)：為PA提供調(diào)整電壓。 35腳(AVDD_SW)：為L(zhǎng)NA/ V電壓。 36腳(AVDD_RF2)： V電壓。 37腳(AVDD_IF2)： V電壓。 38腳(AVDD_ADC)： V電壓。 39腳(DVDD_ADC)： V電壓。 40腳(AVDD_DGUARD)：為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。 41腳(AVDD_DREG)：～ V電壓。 42腳(DCOUPL)： V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。 47腳(DVDD)：為I/～ V的電壓。10腳(RESET_N)：復(fù)位引腳，低電平有效。 19腳(XOSC_Q2)：32 MHz的晶振引腳2。 21腳(XOSC_Q1)：32 MHz的晶振引腳1，或外部時(shí)鐘輸入引腳。 22腳(RBIAS1)：為參考電流提供精確的偏置電阻。 26腳(RBIAS2)：提供精確電阻，43 kΩ，177。1%。 32腳(RF_P)：在RX 期間向LNA 輸入正向射頻信號(hào)；在TX期間接收來(lái)自PA 的輸入正向射頻信號(hào)。34腳(RF_N)：在RX 期間向LNA 輸入負(fù)向射頻信號(hào)；在TX期間接收來(lái)自PA的輸入負(fù)向射頻信號(hào)。 43腳(P2_4/XOSC_Q2)： kHz 。 44腳(P2_4/XOSC_Q1)： kHz 。 CC2430介紹CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，得到了嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon公司的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。根據(jù)芯片內(nèi)置內(nèi)存的不同容量，提供給用戶3個(gè)版本，即CC2430F32/64/128，分別對(duì)應(yīng)內(nèi)置內(nèi)存32/64/128KB。CC2430芯片延用了以往CC2430芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。，工作時(shí)的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430芯片的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能，它是目前國(guó)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(chǎng)領(lǐng)先的ZStackTM、ZigBeeTM協(xié)議軟件和其他Chipcon公司的軟件工具，為開(kāi)發(fā)出無(wú)接口、緊湊、高性能和可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品提供了便利。CC2430芯片的主要特性：，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；電源電壓范圍寬（~）；具有電池檢測(cè)器和溫度傳感器；支持?jǐn)?shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器/鏈路質(zhì)量指示；優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；硬件支持避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存取CSMA/CA功能；具有8路輸入的8~14位ADC；高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)處理器；支持硬件調(diào)試；2個(gè)通用的I/O引腳，其中2個(gè)具有20mA的電流吸收或電流供給能力。 SHT10引腳功能SHT10溫濕度傳感器的引腳排列如下圖所示。圖44 SHT10引腳排列，SCK引腳是傳感器的時(shí)序輸入，；DATA引腳為傳感器的雙向數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，用來(lái)向傳感器發(fā)送命令或者讀取采集的溫度值。 SHT10介紹SHT10是瑞士Sensirion公司推出的新型溫濕度傳感器。由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起,因此，該傳感器具有比其它類型的溫濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號(hào)強(qiáng)度的增加增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)完成，則降低了傳感器對(duì)干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只溫濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過(guò)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(jiǎn)化了接口方式。SHT10具有以下特點(diǎn)：，響應(yīng)速度快；（只有30uW），自動(dòng)休眠；；，數(shù)字輸出，不需要AD轉(zhuǎn)換；。串行接口CC2430電源模塊上位機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由主芯片CC2430和串行接口組成，負(fù)責(zé)組網(wǎng)并接收所有節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，并將接收到的數(shù)據(jù)全部上傳至監(jiān)控主機(jī)。硬件框圖如下：圖45 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件框圖溫濕度傳感器通用接口CC2430電源模塊終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集智能變電站各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度，并將數(shù)據(jù)傳送給父節(jié)點(diǎn)，由CC2430主控芯片和SHT10溫濕度傳感器組成，硬件框圖如下：圖46終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖5 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所需要的軟件環(huán)境有：； Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境 flash programmer；。 IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境圖51 IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境打開(kāi)一個(gè)新工程的界面，并添加新文件如圖51所示。IAR Embedded Workbench是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)供應(yīng)商IAR Systems開(kāi)發(fā)的著名的C編譯器，支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。是一個(gè)非常有效的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，它使用戶充分有效地開(kāi)發(fā)并管理嵌入式應(yīng)用工程。作為一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它具備任何在用戶每天的工作地方所想要的特性。嵌入式IAR Embedded Workbench IDE提供一個(gè)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： AVR C/C++編譯器； IAR匯編器； XLINK Linker； ；；；。 TI Smartrf Flash Programmer介紹本設(shè)計(jì)燒寫CC2430程序的軟件為TI公司提供smartrf flash programmer。該燒寫器可以對(duì)CC2430的存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行查處、燒寫校驗(yàn)等操作，而且對(duì)存儲(chǔ)的地址單位的8個(gè)字節(jié)進(jìn)行IEEE地址燒寫。打開(kāi)smartrf flash programmer，它的主界面如圖52所示。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，F(xiàn)lash image為hex文件路徑，選擇找到已生成的hex文件，點(diǎn)擊perform actions并將程序燒寫進(jìn)CC2431芯片。燒寫成功后界面如圖53所示。燒圖53 燒寫成功后界面本設(shè)計(jì)需要通過(guò)串口助手觀察組網(wǎng)情況。將波特率配置為57600，十六進(jìn)制顯示和按十六進(jìn)制發(fā)送前面的復(fù)選框給勾掉，串口號(hào)的選擇根據(jù)連接情況而定，其他保持為默認(rèn)值，確認(rèn)串口線與PC機(jī)連接正確。串口助手界面如圖54所示。圖54 串口助手界面 Labview介紹LabView是美國(guó)國(guó)家儀器公司基于G語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)。提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫(kù)函數(shù)以及包括DAQ, GPIB, PXI, VXI,RS2321在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有函數(shù)功能[8]。同時(shí)LabVieW還具有直觀的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，豐富的可視化顯示功能，完備的儀器驅(qū)動(dòng)程序，完善的外部接口和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等特點(diǎn)。本系統(tǒng)正是利用Labview的虛擬儀器技術(shù)對(duì)溫濕度傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集。將采集到的數(shù)據(jù)利用多個(gè)無(wú)線路由器傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過(guò)協(xié)調(diào)器與PC監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊，在LabView環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站中的溫度信息進(jìn)行監(jiān)控。Labview程序框圖和前面板分別如圖5圖56所示。圖55 Laview程序框圖面板圖56 Labview前面板 模塊程序設(shè)計(jì)流程本溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)由CC2430通過(guò)二線串行數(shù)字接口和SHT10進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)打開(kāi)電源，然后初始化、嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)收到外部中斷時(shí)給SHT10發(fā)送查詢指令，等待SHT10數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待有請(qǐng)求時(shí)再次激活。終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖57所示。 Y開(kāi)始設(shè)備初始化N給SHT10發(fā)送查詢指令數(shù)據(jù)發(fā)送是否有外部中斷N連接成功進(jìn)入休眠狀態(tài)等待SHT10數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換超時(shí)判斷N圖57終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖：部分程序代碼如下。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)aplJoinNetwork()加入網(wǎng)絡(luò)。程序執(zhí)行aplJoinNetwork()后運(yùn)行堆棧。代碼如下：main(){ halInit()。 //初始化HAL層 evbInit()。 //初始化評(píng)估板 aplInit()。 //初始化協(xié)議棧中的其它部分 ENABLE_GLOBAL_INTERRURT()。 //開(kāi)啟所有中斷的使能端 do{ aplJoinNetwork()。 //組建網(wǎng)絡(luò) while(apsBusy()) {apsFSM()。}//等待，網(wǎng)絡(luò)建立后apsBusy()返回false } while(aplGetStatus()) {apsFSM()。} //等待直到結(jié)束 }while(aplGetStatus()!=LRWPAN_SUCCESS)。 while(1) {apsFSM()。} //有限狀態(tài)機(jī)運(yùn)行堆棧} 微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程序開(kāi)始，微處理器需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)，如圖58所示。當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DAT