基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统的设计与开发

基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统的设计与开发第31卷第1期2010年2月华北水利水电学院JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerVo1.31NO.1Feb.2O1O文章编号:10025634(2010)01007303基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统的设计与开发王亭岭,陈建明,熊军华(华北水利水电学院,河南郑州450011)摘要:利用ZigBee技术及软件VisualBasic6.0软件,设计了一套基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统,将其应用在电力设备检修中,可实现远距离遥测,并能达到实时监控的要求,具有较好的应用价值.关键词:CC2430;ZigBee;无线传感器网络;VisualBasic6.0中图分类号:TP273文献标识码:A1无线传感器网络的组成ZigBee无线传感器网络是基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络.这种网络是中短距离,低速率无线传感器网络,具有射频传输成本低,各节点只需要很少的能量,功耗低,适于电池长期供电,快速组网自动配置,自动恢复和高级电源管理等优点.在整个网络范围内,各节点之间可以进行通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m,扩展到几百米,甚至几千米,整个ZigBee网络还可以与现有的其他各种网络连接,实现远程控制.基于IEEE802.15.4技术标准的ZigBee体系结构如图1所示ZigBee应用层ZigBee网络层IEEE802.15.4MACIEEE80215.4lIEEE802.15.4868/915IVlHzPHYl2.4GHzPHY图1ZigBee体系结构模型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,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)层可实现IEEE802.15.4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,独立处理传人数据请求,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.2方案设计设备检修是保证电力设备正常运行的必要手段,为了保证检修设备与检修人员的安全,检修设备需要可靠接地.目前,手动检测设备是否可靠接地,费时费力.笔者结合ZigBee技术及可视化程序设计语言VisualBasic6.0,设计了一套基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统,并将其应用在电力设备检修时接地线路可靠接地与管理中.其结构如图2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);FFD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;监控中心通过RS一232串口实现与网络协调器的通信.收稿日期:20090603基金项目:河南省科技厅基金项目(092102210234).作者简介:王亭岭(1975一),男,内蒙古呼盟人,讲师,硕士,主要从事自动化及嵌入式系统方面的研究74华北水利水电学院2010年2月监网络协调器FFD图2无线传感器网络管理系统的构成3终端硬件设计无线检测接地传感器核心部件采用Chipcon公司生产的2.4GHz射频系统单芯片CC2430.该单芯片整合了ZigBeeRF前端,内存和微控制器等.其结构如图3所示.CC2430芯片加上少量外围部件便可以实现信号的收发功能.电路如图4所示.ZigBee无线组网RF前端PHY层8O51MCUZigBee协议层图3CC2430ZigBee芯片结构ADCPIO图4无线检测接地传感器电路图无线检测接地传感器安装在搭钩的前端.当搭钩搭在电线上时,无线检测接地传感器的按钮被按下,改变的电压值通过P0.6口输入CC2430内部.设置P0.6为ADC输入端口,CC2430通过ADC采集P0.6的电压值并加以计算,然后发送给主机.主机根据发送的信息,确定线路是否可靠接地.如果没有可靠接地,监控中心发出报警信号.4终端软件设计软件部分需要解决的问题包括:接地信息的采集,ZigBee协议栈(zStack),ZigBee通信等.接地信息的采集可由CC2430芯片内部的MCU完成.Zig.Bee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.具体过程如下: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次应答信号后就向网络协调器发送自己的64位物理地址.网络协调器收到地址后,根据加入的先后给RFD节点分配16位的短网络地址.此时RFD节点加人网络成功.网络协调器程序流程和RFD节点程序流程分别如图56所示.初始化建立一个的新网络显示网络的ID号,频道号等l兰至堡苎竺查lll有信号上传报警信息给监控中心图5网络协调器程序流程图图6传感器节点(RFD)程序流程图5监控界面设计监控界面使用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,可以方便实现计算机与CC2430之间的串行通信.监一第31卷第1期王亭岭,等:基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统的设计与开发75控中心通过RS一232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,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.CC2430中含有2个串行通信接口USART0和USARTI.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:UOUCR(UART控制寄存器),UOGCR(通用控制寄存器),UOCSR(USART0控制与状态寄存器),UOBAUD(波特率控制寄存器).各寄存器参数设置如下:UOUCR=0x02/起始位为低电平,停止位为高电平UOGCR=0x0A/一帧数据为10位UOCSR=0xC0/UART模式,接收使能UOBAUD=0xD8/波特率为57600bpsVB6.0提供了MSComm串行通信控件,同时也为这个控件提供了标准的事件处理函数,过程,并通过属性的方法提供了通信接口的参数设置.与该控制系统相关的属性设置如下:MSComm1.CommPort=1设定通信连接端口为COM1MSComm1.Settings=“57600,n,8,1”波特率为57600,数据位8位,停止位1位MSComm1.InputLen=0为0则读取缓冲区中全部的内容MSComm1.RThreshold:6设定引发接收事件的字符数MSComm!.PortOpen=True打开端口MSComm1.InputMocle=comInputModeBinary设置Input属性以二进制方式检取回数据6结语基于CC2430的ZigBee无线传感器网络管理系统在郑州某110kV变电站进行的测试中,获得了良好的效果.测试时该系统硬件部分由6个RFD节点,1个FFD节点及1台笔记本电脑组成.测试数据如下:RFD与FFD的通信距离最远可达180II1(加长天线),FFD与PC通信距离可达10In(制作的RS一232数据线为10in),无线传感器网络建立的时间小于1S,RFD加入网络的时间小于0.5S,PC机上的监控信息刷新时间小于1S,达到实时监控的要求.变电站的电磁干扰对该系统无影响.测试的结果表明,该系统的设计是成功的,且具有一定的应用价值.参考文献1IEEE.IEEEstandards802.15.4s.USA:出版社不详,2003.2夏益民,梅顺良,江亿.基于ZigBee的无线传感器网络J.微计算机信息,2007,23(4):129130.3李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.4TexasInstruments.ATrueSystemonChipsolutionfor2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee(TM)EB/OL.2007一O70220081116.http:/focus.ti.c0m/docs/prod/folders/print/ec2430.htm1.5TexasInstruments.SystemonChipfor2.4GHzZigBee(TM)/IEEE802.15.4withLocationEngine(Rev.B)EB/OL.2007070220081116.http:/fo?CUS6求是科技编辑部.VisualBasic6.0程序设计与开发技术大全M.北京:人民邮电出版社,2004.DesignandExploitationofZigBeeWirelessSensorNetworkManagementSystemBasedonCC2430WANGTingling,CHENJianming,XIONGJunhua(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)Abstract:AsetofZigBeewirelesssensornetworkmanagementsystembasedonCC2430wasdesignedusingZigBeetechnologyandVisualBasic6.0.Thissystemcanbeusedinpowerequipmentmaintenance,andcandetectthetempratureinlongrange,andmonitortheoperationofpowersysteminrealtime,andhasgoodapplicablevalue.Keywords:CC2430;ZigBee;wirelesssensornetwork;VisualBasic6.0