基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)第31卷第1期

2010年2月

華北水利水電學(xué)院

JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower

Vo1.31NO.1

Feb.2O1O

文章編號:1002—5634(2010)01—0073—03

基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理

系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

王亭嶺,陳建明,熊軍華

(華北水利水電學(xué)院,河南鄭州450011)

摘要:利用ZigBee技術(shù)及軟件VisualBasic6.0軟件,設(shè)計了一套基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管

理系統(tǒng),將其應(yīng)用在電力設(shè)備檢修中,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測,并能達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的要求,具有較好的應(yīng)用價值.

關(guān)鍵詞:CC2430;ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);VisualBasic6.0

中圖分類號:TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳

輸網(wǎng)絡(luò).這種網(wǎng)絡(luò)是中短距離,低速率無線傳感器網(wǎng)

絡(luò),具有射頻傳輸成本低,各節(jié)點(diǎn)只需要很少的能

量,功耗低,適于電池長期供電,快速組網(wǎng)自動配置,

自動恢復(fù)和高級電源管理等優(yōu)點(diǎn).在整個網(wǎng)絡(luò)范圍

內(nèi),各節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行通信,每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距

離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m,擴(kuò)展到幾百米,甚至幾千米,

整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連

接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制.基于IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的

ZigBee體系結(jié)構(gòu)如圖1所示…

ZigBee應(yīng)用層

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層

IEEE802.15.4MAC

IEEE80215.4lIEEE802.15.4

868/915IVlHzPHYl2.4GHzPHY

圖1ZigBee體系結(jié)構(gòu)模型

ZigBee技術(shù)的物理(PHY)層和介質(zhì)訪問控制

(MAC)層協(xié)議主要采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),Zig—

Bee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā),以及制定其

安全協(xié)議和市場推廣等.介質(zhì)訪問控制(MAC)層可

實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4規(guī)范所要求的功能,并負(fù)責(zé)同

物理(PHY)層進(jìn)行交互.網(wǎng)絡(luò)(NWK)層負(fù)責(zé)建立和

維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接,獨(dú)立處理傳人數(shù)據(jù)請求,關(guān)聯(lián),解除

關(guān)聯(lián)和孤立通知請求.ZigBee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用

支持子(APS)層,ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和制造商

所定義的應(yīng)用對象.APS層主要提供ZigBee端點(diǎn)接

口,應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個或多個端

點(diǎn)并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù).

2方案設(shè)計

設(shè)備檢修是保證電力設(shè)備正常運(yùn)行的必要手

段,為了保證檢修設(shè)備與檢修人員的安全,檢修設(shè)備

需要可靠接地.

目前,手動檢測設(shè)備是否可靠接地,費(fèi)時費(fèi)力.

筆者結(jié)合ZigBee技術(shù)及可視化程序設(shè)計語言Visual

Basic6.0,設(shè)計了一套基于CC2430的ZigBee無線

傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),并將其應(yīng)用在電力設(shè)備檢修

時接地線路可靠接地與管理中.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

傳感器節(jié)點(diǎn)(RFD)用于采集監(jiān)測信息并發(fā)送

給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD);FFD用于建立一個新的無線

傳感器網(wǎng)絡(luò),接收信息,發(fā)送控制命令;監(jiān)控中心通

過RS一232串口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信.

收稿日期:2009—06—03

基金項目:河南省科技廳基金項目(092102210234).

作者簡介:王亭嶺(1975一),男,內(nèi)蒙古呼盟人,講師,碩士,主要從事自動化及嵌入式系統(tǒng)方面的研究

74華北水利水電學(xué)院2010年2月

監(jiān)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器FFD

圖2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的構(gòu)成

3終端硬件設(shè)計

無線檢測接地傳感器核心部件采用Chipcon公

司生產(chǎn)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430.該單芯

片整合了ZigBeeRF前端,內(nèi)存和微控制器等.其

結(jié)構(gòu)如圖3所示.CC2430芯片加上少量外圍部件便

可以實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能.電路如圖4所示.

ZigBee

無線組網(wǎng)

RF前端

[

PHY層

8O51

MCU

ZigBee

協(xié)議層

圖3CC2430ZigBee芯片結(jié)構(gòu)

ADC

PIO

圖4無線檢測接地傳感器電路圖

無線檢測接地傳感器安裝在搭鉤的前端.當(dāng)搭

鉤搭在電線上時,無線檢測接地傳感器的按鈕被按

下,改變的電壓值通過P0.6口輸入CC2430內(nèi)部.設(shè)

置P0.6為ADC輸入端口,CC2430通過ADC采集

P0.6的電壓值并加以計算,然后發(fā)送給主機(jī).主機(jī)

根據(jù)發(fā)送的信息,確定線路是否可靠接地.如果沒有

可靠接地,監(jiān)控中心發(fā)出報警信號.

4終端軟件設(shè)計

軟件部分需要解決的問題包括:接地信息的采

集,ZigBee協(xié)議棧(z—Stack),ZigBee通信等.接地信

息的采集可由CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成.Zig.

Bee協(xié)議棧運(yùn)行在一個OSAL(操作系統(tǒng)抽象層)操

作系統(tǒng)上,該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制,通過對任

務(wù)的事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度.每個任務(wù)都包含若

干個事件,每個事件都對應(yīng)一個事件號].

當(dāng)一個RFD節(jié)點(diǎn)初始化完成之后,如果此時在

其高頻覆蓋范圍內(nèi)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于正常工作

狀態(tài),而RFD節(jié)點(diǎn)又與該網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同頻時,可以

調(diào)用aplJoinNetwork()函數(shù)加入當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器.

具體過程如下:首先RFD節(jié)點(diǎn)上電后掃描網(wǎng)絡(luò)中是

否有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器.如果此時主機(jī)存在,主機(jī)會自動應(yīng)

答RFD節(jié)點(diǎn),當(dāng)RFD節(jié)點(diǎn)收到主機(jī)的3次應(yīng)答信

號后就向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的64位物理地址.網(wǎng)

絡(luò)協(xié)調(diào)器收到地址后,根據(jù)加入的先后給RFD節(jié)點(diǎn)

分配16位的短網(wǎng)絡(luò)地址.此時RFD節(jié)點(diǎn)加人網(wǎng)絡(luò)

成功.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程和RFD節(jié)點(diǎn)程序流程

分別如圖5—6所示.

初始化

建立一個的新網(wǎng)絡(luò)

顯示網(wǎng)絡(luò)的ID號,頻道號等

l蘭至堡苧竺查ll

l有信號

上傳報警信息給監(jiān)控中心

圖5網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖6傳感器節(jié)點(diǎn)(RFD)程序流程圖

5監(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控界面使用VB6.0可視化程序設(shè)計語言開

發(fā).利用VB6.0提供的MSComm串行通信控件,可

以方便實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與CC2430之間的串行通信.監(jiān)

一

第31卷第1期王亭嶺,等:基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)75

控中心通過RS一232實(shí)現(xiàn)與FFD的串行通信.從而

實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心實(shí)時監(jiān)測FFD和RFD的工作狀態(tài),對

FFD和RFD實(shí)施控制.監(jiān)控中心與FFD設(shè)定的通信

協(xié)議為:波特率為57600bps,1位起始位,8位數(shù)據(jù)

位,1位停止位,無奇偶校驗(yàn)位.

CC2430中含有2個串行通信接口USART0和

USARTI.利用USART0進(jìn)行通信時需要對其串行通

信的模式,傳輸?shù)牟ㄌ芈始跋嚓P(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行定

義.需要初始化的寄存器有:UOUCR(UART控制寄

存器),UOGCR(通用控制寄存器),UOCSR(USART0

控制與狀態(tài)寄存器),UOBAUD(波特率控制寄存

器).各寄存器參數(shù)設(shè)置如下:

UOUCR=0x02//起始位為低電平,停止

位為高電平

UOGCR=0x0A//一幀數(shù)據(jù)為10位

UOCSR=0xC0//UART模式,接收使能

UOBAUD=0xD8//波特率為57600bps

VB6.0提供了MSComm串行通信控件,同時也

為這個控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù),過程,并通

過屬性的方法提供了通信接口的參數(shù)設(shè)置.與該

控制系統(tǒng)相關(guān)的屬性設(shè)置如下:

MSComm1.CommPort=1設(shè)定通信連接

端口為COM1

MSComm1.Settings=“57600,n,8,1”

波特率為57600,數(shù)據(jù)位8位,停止位1位

MSComm1.InputLen=0為0則讀取緩沖

區(qū)中全部的內(nèi)容

MSComm1.RThreshold:6設(shè)定引發(fā)接收

事件的字符數(shù)

MSComm!.PortOpen=True打開端口

MSComm1.InputMocle=comInputModeBinary

設(shè)置Input屬性以二進(jìn)制方式檢取回數(shù)據(jù)

6結(jié)語

基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系

統(tǒng)在鄭州某110kV變電站進(jìn)行的測試中,獲得了良

好的效果.測試時該系統(tǒng)硬件部分由6個RFD節(jié)

點(diǎn),1個FFD節(jié)點(diǎn)及1臺筆記本電腦組成.測試數(shù)據(jù)

如下:RFD與FFD的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)180II1(加

長天線),FFD與PC通信距離可達(dá)10In(制作的RS

一

232數(shù)據(jù)線為10in),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的時間

小于1S,RFD加入網(wǎng)絡(luò)的時間小于0.5S,PC機(jī)上

的監(jiān)控信息刷新時間小于1S,達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的要求.

變電站的電磁干擾對該系統(tǒng)無影響.測試的結(jié)果表

明,該系統(tǒng)的設(shè)計是成功的,且具有一定的應(yīng)用價值.

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DesignandExploitationofZigBeeWirelessSensorNetworkManagementSystemBasedonCC2430

WANGTing—ling,CHENJian—ming,XIONGJun—hua

(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)

Abstract:AsetofZigBeewirelesssensornetworkmanagementsystembasedonCC2430wasdesignedusingZigBeetechnologyand