毕业论文基于zigbee网络的智能变电站温度检测系统设计与实现16948.docx
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毕业论文基于zigbee网络的智能变电站温度检测系统设计与实现16948
基于ZigBee网络的智能变电站温度检测系统设计与实现
摘要
针对当前变电站常规测温手段实时性能差、受安装环境限制大、无法实现对封闭设备等测温度的难题,本文提出了将ZigBee组网技术运用于智能变电站测温度系统的方案。
通过SHT10温度传感器、ZigBee自组网技术,系统实现了对变电站刀闸、母线、电缆、变压器外壳、线路导线等多个监测点温度的实时监测,使系统运行可靠、稳定,有效保障变电设备的正常运行。
本方案中使用SHT10温湿度传感器和CC2430无线芯片搭建了一个基于MsstatePan协议栈的无线传感器网络。
该网络由一个协调器充当中心节点和若干终端节点一起,构成一个星型网络。
终端节点负责将SHT10所采集到的信息反馈给协调器,协调器负责接收和存储终端节点发送来的信息,并向终端节点发布网络控制信号,利用串口通信技术与上位机进行通信。
最后通过Labview编程语言实现对采集到的数据进行显示与处理,从而有效的起到了对智能变电站的温度监控。
关键词:
ZigBeeSHT10CC2430MsstatePan
IntelligentSubstationTemperatureDetectionSystemDesignandImplementationBasedonTheZigBeeNetwork
Abstract
Aimingtoseveralshortcomingsofthenormalmethodontemperaturemeasurementinsubstation,suchasthebadtime-realfunctionandthelimitationoftheenvironmentandtheinfeasibilityinairtightequipment,theZigBeetechnologyisappliedtothetemperaturemeasurementsystem.ThroughtheSHT10temperaturesensorandZigBeenetworktechnology,onseveralpointssuchasthesubstation,bus,cable,breakertransformershellandlinewires,therealtimetemperaturemonitoringsystemcanberealizedandmakethesubstationequipmentreliableandstableworking.
TheSHT10temperaturesensorandCC2430wirelesschipisusedtosetupawirelesssensornetworksbasedontheMsstatePanprotocolstackinthisdesign.Thenetworkactsasacoordinatorandseveralterminalnodesandtogethertoformastarnetwork.TerminalnodeisresponsibleforSHT10tocollectinformationandfeedbacktothecoordinator,Coordinatorisresponsibleforreceivingandstoringtheinformationanddistributingnetworkcontrolsignaltotheterminalnodeandcommunicatingwiththeuppermachineusingtheserialinterfacecommunicationtechnology.Finally,itthroughtheLabviewprogramminglanguagetorealizethecollecteddataondisplayandprocessing,thuseffectivelyplayedtotheintelligenceofthesubstationoftemperaturemonitoring.
Keywords:
ZigBeeSHT10CC2430MsstatePan
1.1课题背景1
附录137
1引言
1.1课题背景
随着供电负荷的迅速增加以及供电设备的老化,变电站由于输变线路接头温度过高引起的火灾、爆炸现象时有发生,严重影响到用电安全,给供电、用电双方带来巨大的经济损失,近年来,对变电站灾害的实时监测、预警成为电力系统研究的热点和难点[10]。
因此,为智能变电站设计可靠且实用的温度采集系统非常重要。
传统的变电站接头温度检测方法是人工手持红外温度探测枪进行逐点测温,这种模式常出现漏测、误报现象,而且高电压、强辐射环境给工作人员带来身体伤害。
尤其对于变电站广阔空间环境中的温度采集,如果采用有线方式其成本和功耗都比较高。
于是我们现在就需要一种技术,能够对变电站的温度参数进行无线采集。
这样既能省去人为采集的麻烦,也不再需要铺设较长的传输线,为变电站的温度检测带来便捷[4]。
现在国内外应用比较多的无线传输技术有红外技术、蓝牙技术、ZigBee技术等。
红外技术为短距离、点对点直线数据传输,保密性强,传输速率高,但是通信距离短,通信过程中不能移动,遇到障碍物通信中断,所以不适合本系统。
蓝牙技术是一种短距离的无线传输应用技术,比较红外技术它通信更方便,而且稳定,但是成本和功耗都较高。
ZigBee技术是一种基于协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术,主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用,己成当下较为流行的无线通信技术。
最大的特点就是低功耗,一节电池就可以维持6个月到数年的工作时间。
比较得知,温湿度采集是一个长期的过程,而且如果大批量来更换电池是个较为麻烦的过程。
因此,适合采用ZigBee技术来做智能变电站的数据传输。
1.2研究现状
ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议,其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI),标准定义了下面的两层:
物理层和媒体接入控制子层;网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。
2002年,ZigBee联盟创立,创始者包括IC供应商、无线IF提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等,这此企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案[13]。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1.0版本规范,2006年11月发布了ZigBee协议1.1版本规范,2007年10月发布了ZigBeePro版本规范。
ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能,为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。
ZigBee技术能融入各类电子产品,应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。
使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台,设计出简单、可靠、便宜又省电的各种产品来。
飞思卡尔推出了全球首个符合ZigBee标准的平台,使得制造商能够将ZigBee技术应用于传感和监控领域截止至。
2005年4月,已有TexasInstruments,Freeseale,CompXs,Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。
目前市场上RF主流芯片的供应商包括TI,EMBER,FREESCALE以及JENNIC,他们分别推出单芯片解决方CC2430/CC2431、EM2S0,MC1321x以及JN5121,在市场上极具竞争力。
1.3论文主要研究内容及安排
本文就是基于此背景而提出的基于ZigBee无线网络的智能变电站温湿度检测系统设计与实现,充分利用了无线资源,做到了防剪、防破坏,且安装维护简单。
实现了主从节点间数据的无线传输,无线传感器网络组建,同时上位PC机采用串口与主节点通信,对温湿度实时监控。
该系统具有扩展性好、稳定可靠、维护方便等特点。
本文的安排如下:
第一章阐述了设计的背景以及目前国内外的ZigBee研究发展情况。
第二章介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式。
第三章介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计,包括上位机的设训。
第四章介绍了该设计的测试过程和调试过程。
第五章对全文进行了总结以及一些个人心得。
2基础知识概述
2.1ZigBee技术
ZigBee简介
蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息,这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。
借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。
在此之前ZigBee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术,目前统称为ZigBee[11]。
简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。
ZigBee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展[7]。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。
而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在百万元人民币以上,而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。
ZigBee技术特点
ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场,具有如下特点[2]:
1.成本低:
ZigBee模块的初始成本低,并且ZigBee协议是免专利费的,采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和858MHz(欧洲),免执照频段;
2.低功耗:
由于ZigBee的传输速率较低,传输数据量较小,并且采用了休眠模式,因此ZigBee设备功耗很低,仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用:
3.低速率。
ZigBee工作在20~250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz),40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求;
4.时延短:
ZigBee的响应速度较快,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,一般从休眠转入工作状态只需要15ms,典型的搜索设备时延为30ms,活动设备信通接入的时延为15ms;
5.网络容量大:
ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构,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。
6.可靠度高:
为了避免发送数据的竞争和冲突,采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。
MAC层采用完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,如果传输过程中出现问题可以进行重发;
7.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(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。
8.传输距离远:
传输范围一般介于10~100m之间,在增加RF发射功率后,办可增加到1-3Km。
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。
ZigBee与各种短距离无线标准的比较
无线通信技术是无线传感器网络的支持和核心部分,目前,各种无线传输技术发展迅速,并且各有所长[7]。
其中主要有蓝牙、UWB技术、红外技术、HomeRF技术等[14],它们的主要参数如表2-1所示。
表2-1几种无线传输技术的比较
蓝牙
超宽带
红外
ZigBee
电池寿命
较短
长
长
最长
系统开销
较大
小
小
小
网络节点
7
8
2
255/65000+
覆盖范围
10米
10米
定向1米
1—100米
传输速率
1Mbps
110/200Mbps
16Mbps
20/250Kps
传输介质
2.4GHz
3.1-10.6GHz
980nm
2.4GHz
1.蓝牙(BlueTooth)
蓝牙开发计划首先有爱立信于1994年提出。
蓝牙,是一种无线个人局域网,让各种数码设备之间能够无线沟通。
蓝牙的工作频率为2.4GHz,有效范围大约为10米。
蓝牙技术的特点可以归纳为以下几点:
采用2.4GHz的ISM频段,不需要申请许可证;采用快速跳频和短包技术,减少同频干扰,保证物理层传输的可靠和安全性;采用前向纠错编码来减少传输时的随机噪声影响;支持64kbit/s的实时话音传输和各种速率的数据传输,语音和数据可以单独或同时传输;最大传输速率为1Mbit/s。
现在蓝牙已经被列入了,发展迅速。
2.超宽带技术
超宽带(UWB)技术起源于20世纪50年代末,主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用。
在无线个人局域网应用领域中,FCC已经将3.1至10,6GHz频段向UWB通信开放。
与现有通信技术相比,UWB通信技术主要特点有以下几个:
频带宽;低耗电;低成本;传输速率高;空间容量大;低功耗;多径分辨能力强;穿透能力强;定位准确;隐蔽性好、安全性高等。
3.红外技术(IrDA)
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。
当前,IrDA技术的软件和硬件都已经比较成熟,主要的技术优势有以下几个:
无需专门申请特定频率的使用执照;具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。
除了技术上的特点外,IrDA的市场优势也十分明显。
IrDA也有它的局限性。
首先,IrDA是一种视距传输技术。
其次,IrDA设备中的核心部件红外LED不是一种耐久部件。
最后,IrDA没有提供链接级别的安全措施,而是依靠上层协议提供的授权与安全功能。
由此可知蓝牙(Bluetooth)虽然成本较低,成熟度高,但是传输距离有限,仅为10米,可以参与组网的节点少。
UWB技术虽然频带宽,功耗低,但其组网能力较差。
因此ZigBee技术广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。
2.2ZigBee技术标准
应用层
网络层
媒体介入层
物理层
ZigBee联盟
IEEE802.15.4
ZigBee是一组基于无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准,与其它无线标准如IEEE802.11或IEEE802.16不同[5]。
ZigBee的协议框架如图2-2所示。
图2-2ZigBee协议栈框图
它类似于OSI网络互联协议的一个模型,从下向上依次为物理层(PHY)、媒体接入层(MAC)、网络层(NWK)、应用支持子层(APS)、应用层,其中物理层和媒体接入层采用的是标准,网络层和应用层则是由ZigBee联盟合作制定的。
协议栈的层与层之间通过服务接入点完成数据交换。
2.2.1物理层
标准定义了2个物理层标准,分别是868MHz/915MHz物理层和2.4GHz物理层。
2个物理层都基于DSSS(DirectSequenceSpreadSpecturm,直接序列扩频),使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物理无线信道之间的接口。
物理层通过物理层数据服务访问点提供物理层数据服务;通过物理层管理实体服务访问点提供物理层管理服务。
物理层的主要功能:
1.ZigBee的激活;
2.当前信道的能量检测;
3.接受链路服务质量信息;
3.ZigBee信道接入方式;
4.信道频率选择;
5.数据传输和接收。
2.2.2媒体接入层
MAC层提供了特定服务会聚子层(SSCS)和物理层之间的接口。
从概念上说,MAC层还包括MAC层管理实体,以提供调用MAC层管理功能的管理服务接口;同时MAC层管理实体还负责维护MACPAN信息库。
使用CSMA-CA机制接入无线信道。
媒体接入层主要功能有:
1.设备间无线链路的建立、维护和结束;
2.传输信标帧,帧校验;
3.信道接入控制;
4.为设备的安全性提供支持;
5.支持PAN的连接和分离;
6.处理和维护保护时隙(GTS)机制;
7.提供两个对等MAC实体之间可靠的链路连接。
2.2.3网络层
在网络层方面,ZigBee可以采用星状、树状、网状拓扑结构,也可以允许三者的结合。
网络层主要采用基于AdHoc技术的网络协议,可以采用三种路由算法:
以AODV算法建立随意网络拓扑的拓扑架构;利用广播的方式传递信息。
可根据具体的应用需求,选择适合的网络架构。
网络层的主要功能:
1.网络机制的建立和管理;
2.允许设备连接;
3.路由器初始化;
5.直接将设备同网络连接;
6.接收机同步;
7.信息库维护;
8.自我组织与自我修复功能。
应用层
应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上,主要包括3个部分:
与网络层连接的应用支持层(APS)、ZigBee设备对象ZDO以及ZigBee的应用层架构(AF)。
最重要的是已经涵盖了服务的概念。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
APS主要功能是:
APS层数据单元的处理,节点间应用对象的绑定,维持绑定表以及APS数据传输机制。
ZDO可以看成是一种公共的应用,提供一个公共的功能集,供用户自定义的应用对象调用APS层的服务及网络层的服务,主要功能保括设备发现和服务发现,定义设备在网络中的角色,发起和响应绑定请求,以及在网络设备之间建立安全机制。
2.3ZigBee协议栈
以ZigBee为标准的实现形式典型的有Z-Stack协议栈和MsstatePAN协议栈。
Z-Stack协议栈是ZigBee技术的核心,所实现的功能越来越完善[6]。
它是TI公司专为自己生产的,通过UCOS来实现,它的主要特点就是其兼容性,可以通过MeshNetwork下载节点并更新,而且其完全支持的CC2430片上系统解决方案。
Z-Stack协议栈可以实现树状网络、星状网络和网状网络。
Z-Stack协议栈主要有三种版本:
第一种:
ZigBee2004或ZigBee1.0,它于2004年12月正式生效,是一个全源代码的协议栈,能够实现一些简单的通信,在组建网络方面功能还不是很理想,组建网络类型有限,仅能实现串状组网和星状组网。
第二种:
ZigBee2006规范,它是一个公开的半开源的协议栈,相比较ZigBee2004,安全性更高、层次性更强、功耗更小,而且最重要的是实现了网状组网,实现了ZigBee的向后兼容性。
第三种:
ZigBee2007,它有两套高级的功能指令集即ZigBee功能命令集与ZigBeePro功能命令集。
MsstatePan协议栈是一款精简的开源ZigBee协议,它基于ZigBee规范,具有组网迅速、源码开放、容易裁剪、方便调试、生成代码容量小等优点。
MsstatePan协议栈最主要的优点是开源,能够在MAC层、网络层根据用户的需求自己设置,而且能够实现网络能所有节点的时间同步。
表2-3MsstatePan协议栈和Z-Stack协议栈的异同点
功能属性
Z-Stack协议栈
MsstatePan协议栈
路由
Mesh&树形&星型路由
树形&星型路由
网络配置
动态,节点启动时自组网
动态,节点启动时自组网
PANID
动态选择
静态配置,有用户设置
信道选择
静态设置
静态设置
频率
2.4GHz、915、868MHz
2.4GHz
直接消息模式
是
是
绑定&消息模式
动态绑定、静态绑定
动态绑定、静态绑定
信标使能
是
是
ZigBee广播支持
是
是
APS应答支持
是
是
安全加密
是
否
数据包缓存代理支持
是
否
HEX文件容量
200KB
80KB
休眠功能支持
是
否
PC端调试器MT支持
是
否
串口调试信息打印
否
是
由表2-3可知,MsstatePan协议栈与Z-Stack协议栈相比,虽然不能实现安全加密、数据包缓存代理支持、休眠以及MT调试功能,但是总的来说比较简洁,可以实现ZigBee的基本功能[15]。
在本次设计中所采用的节点数量较少而且固定,不要求全加密、数据包缓存代理支持、休眠以及MT调试功能,因此选用这种精简的MsstatePan协议栈。
2.4MsstatePAN协议栈
MsstatePAN协议栈介绍
MstatePAN协议栈是一款精简的开源ZigBee协议,它基于ZigBee规范V1.0。
它由密西西比州立大学电子工程学院的助理教授RobertReese开发,发布于2007年3月5日。
本文采用的硬件平台是CC2430EM,编译器采用的是IAR集成开发环境。
MstatePAN协议栈源码完全公开,便于研究并根据应用场合适当对协议栈各层进一步修改。
MstatePAN协议栈支持三种网络设备:
协调器节点、路由器节点、终端节点,在IAR集成开发环境的编译界面中选择coord、router、rfd三种预编译选项来选择节点类型。
协议栈使用2.4GHz处的16个信道,信道和PANID的设置均采用静态设置。
该协议栈的构架如图2-4所示。
图2-4MsstatePAN协议栈源码构架
图2-4中左边列出了协议栈包含的文件,右边为代码区。
代码区中:
halInit():
基本的硬件初始化操作,包括时钟频率的设定、串口的初始化、波特率的设定、以及定时器的初始化。
aplInit():
协议栈的初始化操作,首先完成应用支持子层的数据信息数据库aps_pib数据结构的初始化,然后依次调用物理层初始化函数phyInit(),MAC层初始化函数macInit()以及网络层初始化函数nwkInit()。
aplRegisterEndPoint(DATA_EP):
端点注册操作,每一个端点对应一个应用对象。
while
(1):
无限循环操作,开启了应用层状态机的循环,并会依次循环调用下层状态机。
该协议栈构架中除了物理层之外,每一层都有三个有限状态机组成,分别是主状态机、数据接收状态机、数据发送状态机。
主状态机FSM()主要负责处理各种命令完成协议栈的核心功能,接收状态机RxFSM()要负责处理数据接收事物,发送状态机TxFSM()则主要负责处理发送事物。
该协议栈的运行采用嵌套调用的方式,即上层有限状态机内部调用下层有限状态机。
各层
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