基于ZigBee的六氟化硫无线检测节点设计

毕业设计（论文）基于ZIGBEE的六氟化硫无线传感器节点设计专业年级学号姓名指导教师评阅人二九年六月计算机及信息工程学院（常州）河海大学本科毕业设计（论文）任务书（理工科类）、毕业设计（论文）题目基于ZIGBEE的六氟化硫无线传感器节点设计、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）（1）培养综合运用所学理论知识、独立开展科研实践的能力；（2）利用ZIGBEE技术和超声检测技术，实现用于室内定性检测六氟化硫气体的无线传感器节点；（3）基于超声传播速度原理，设计六氟化硫传感器，检测精度不低于500PPM；（4）传感器能够根据上位机的命令实施检测并上传检测数据；（5）通信方式采用ZIGBEE无线通信，要求在视距范围内传输距离不小于50M；（6）节点可用两节五号电池驱动，并且检测时电流小于80MA，发射电流小于40MA；（7）在节点上实现ZIGBEE的移植，能够实现简单的多跳传输。、进度安排2008年9月10月查阅相关文献，了解设计中相关技术，跟指导老师交流设计具体实现目标，写系统分析文档；2008年11月12月经过多方案对比，确定实现方案、测试方案，并把各方案文档化；2008年1月确定软硬件平台，并熟练使用；2009年2月细化功能模块，确定算法或实现细节，并文档化；2009年34月系统实现，把实现过程，特别是方案变更做详细纪录；2009年5月系统测试，测试结果文档化；2008年6月整理文档，撰写论文，准备答辩；、主要参考资料1ZIGBEE技术基础及案例分析金纯编著国防工业出版社20082无线传感器网络技术李晓维主编北京理工大学出版社20073超声手册冯若2002年指导教师，年9月10日学生姓名，专业年级系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）该课题符合电子科学与技术专业的培养方向，能结合工程实际，内容难度和工作量合适，同意作为毕业设计的课题。系负责人签字，年11月20日摘要ZIGBEE是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它依据IEEE802154标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。SF6气体以其优异的绝缘和灭弧特性，在电力系统中获得了广泛的应用。但在电力设备运行过程中SF6气体泄漏会对人体造成伤害，因此准确检测SF6气体浓度是电力设备安全可靠运行的保障。本系统采用ZIGBEE无线网路技术、利用声学检测法设计出一种六氟化硫无线传感器检测节点，不仅成本低、精度高、易安装，而且适合变电站无值守的发展趋势。本无线传感器检测节点使用CC2430无线单片机进行数据的检测和处理以及ZIGBEE无线通信。本无线传感器网络节点的外围电路少、功耗低、功能能强大、处理速度快，根据实际需要组建为星形、树形网络，不仅可维护性强而且安全可靠、生存周期长。此外，本系统SF6浓度检测精度优于200V/V，检测范围为2002500V/V。关键字无线传感器，IEEE802154，ZIGBEE，超声检测，六氟化硫，CC2430ABSTRACTZIGBEEISANEWCLOSEUP,LOWCOMPLEXITY,LOWPOWER,LOWDATARATE,LOWCOSTWIRELESSNETWORKTECHNOLOGYITISBASEDONIEEE802154STANDARDS,INTHOUSANDSOFTINYSENSORSTOACHIEVECOMMUNICATIONBETWEENTHECOORDINATIONTHESESENSORSONLYNEEDVERYLITTLEENERGY,AWAYTORELAYTHEDATATHROUGHRADIOWAVESFROMONESENSORTOANOTHERSENSOR,SOTHEEFFICIENCYOFTHEIRCOMMUNICATIONISVERYHIGHSF6GASWHICHHASEXCELLENTINSULATIONANDINTERRUPTIONPERFORMANCEISWIDELYUSEDINTHEPOWERSYSTEMHOWEVER,DURINGTHEOPERATIONOFELECTRICALEQUIPMENTSF6GASLEAKAGEWILLHARMTHEHUMANBODY,SOTOACCURATELYDETECTTHECONCENTRATIONOFSF6GASISASAFEANDRELIABLEOPERATIONOFELECTRICALEQUIPMENTPROTECTIONTHESYSTEMBASEDONTHEZIGBEEWIRELESSNETWORKTECHNOLOGY,USEOFULTRASONICTESTINGTECHNOLOGYTODESIGNAWIRELESSSENSORNODEDETECTTHECONCENTRATIONOFSF6GAS,WHICHISNOTONLYLOWCOST,HIGHPRECISION,EASYINSTALLATION,ANDSUITABLEFORNONDUTYSUBSTATIONTRENDSTHEWIRELESSSENSORNETWORKNODESLESSEXTERNALCIRCUITRY,LOWPOWERCONSUMPTION,FUNCTIONALITYCANBEPOWERFULANDFASTPROCESSINGSPEED,ACCORDINGTOTHEACTUALNEEDSCANBESETUPFORTHESTAR,TREENETWORKS,WHICHISSTRONG,SAFE,RELIABLEMAINTENANCEANDLONGLIFETIMETHEDETECTIONACCURACYFORSF6CONCENTRATIONOFTHESYSTEMISBETTERTHAN100PPMTHEDETECTIONRANGEFROM2002500V/VKEYWORDSWIRELESSSENSOR,IEEE802154,ZIGBEE,ULTRASONICDETECTION,SF6,CC2430目录第一章绪论111研究背景112SF6检测系统的研究现状113无线传感器网络的研究现状214论文的主要工作315本章小结3第二章ZIGBEE技术及应用421ZIGBEE技术概述422IEEE802154标准523ZIGBEE协议栈7231ZIGBEE协议栈结构7232ZIGBEE网络设备类型8233ZIGBEE网络拓扑结构924ZIGBEE的应用前景1025本章小结11第三章无线传感器节点总体设计方案1131无线传感器节点框架设计1132超声检测法12321单通道超声测量原理12322温度补偿原理15323单通道超声检测静态误差1532温度采集模块设计16321CC2430片内温度传感器16322误差补偿处理1733ZIGBEE网络拓扑结构设计1834本章小结19第四章无线传感器节点的硬件设计2041CC2430控制模块设计20411CC2430片上系统20412CC2430的8051内核2242超声检测模块设计2343ZIGBEE射频模块设计24431CC2430射频模块24432IEEE802154调制方式2744RS232串口通信模块设计2845电源模块设计2846状态显示模块2948本章小结30第五章无线传感器节点的软件设计3051ZIGBEE软件集成开发平台选择3052ZIGBEE协议栈的选择3153硬件驱动程序设计3254网络配置3355无线传感器节点软件设计34551协调器程序设计35552路由及终端节点程序设计3656超声检测气体浓度程序设计3757本章小结38第六章测试结果与分析3861静态误差3861六氟化硫气体浓度检测3962组网试验4163本章小结42第七章总结与展望42致谢44参考文献45附录一无线传感器节点实物图47附录二系统测试平台实物图47附录三CC2430系统板原理图48附录四英文文献翻译481第一章绪论11研究背景电力工业是国民经济的基础产业。近年来，随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，工业、农业以及人们的生活工作中对电的需求越来越多。我国的电力工业同时也呈现出前所未有的快速发展的景象。电网设备朝着超高压、大容量方向发展的同时，SF6气体以其优异的绝缘和灭弧特性，在电力系统中获得了广泛的应用。SF6气体几乎成了中压、高压和超高压断路器和GIS（GASINSULATEDSWITCHGEAR，空气绝缘开关）中唯一的绝缘和灭弧介质，被广泛应用于电导设备系列，如电源开关、封闭式电容器组、变压器等1。设备在运行过程中，SF6的气体泄漏不可避免2，纯净的六氟化硫气体是无毒的，但在大电流开断时，由于强烈的电弧放电会产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水份进一步反应3，从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时会出现更加严重的后果。因此，对于运行中的设备，加强SF6气体检测，对于设备的安全运行和工作人员的人身安全均具有重要意义。六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则（GB/T89051996）规定，在电气设备充气前必须对SF6气体进行质量检测，而且对运行中的SF6气体必须进行质量监督和管理4。其中733中讲到在户内设备安装场所的地面层应安装带报警装置的氧量仪和六氟化硫浓度仪六氟化硫浓度仪在空气中六氟化硫含量达到1000V/V时发出报警如发现不合格时应通风、换气。电力安全工作规程中做了特别规定装有六氟化硫设备的配电装置室必须保证六氟化硫气体浓度小于1000V/V，除须装设强力通风装置外还必须安装能报警的氧量仪和六氟化硫气体浓度监测报警仪等。12SF6检测系统的研究现状世界范围内对六氟化硫的检测有气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光干涉法、高压放电法、红外线吸收法、电化学法、热导法，超声法等。但气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光干涉法不仅需要昂贵的仪器设备，而2且要求操作者具有相当高的操作水平，阻碍了其在GIS室内六氟化硫泄漏检测领域的推广。而高压放电法、红外线吸收法、电化学法、热导法等虽然能够构成系统进行检测，但不同程度存在寿命短、稳定性差、有二次污染或检测精度低或无核心技术的知识产权等不足。超声法是利用超声在不同介质中具有不同传播速度的特性来检测六氟化硫的含量，精度高，稳定性好，并且不存在二次污染。而且容易实现系统的在线实时测量，适合在工业现场环境中使用。采用超声波测量法测量二元混合气体的原理是在样品气中传播的超声波速度可以表示为样品气体的平均分子量和温度的函数，而若样品气体为二元混合气体时，只要测定出样品气中的超声波传播速度与样品气的温度，就可以求得样品气的平均分子量，进而可以由此计算出样品气中任一种气体的浓度。13无线传感器网络的研究现状无线传感器网络5是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。简单地说，无线传感器网络（WIRELESSSENSORNETWORK，WSN）就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限（指计算、存储和能源方面的限制）的嵌人式节点通过无线方式互连起来的网络。各节点之间通过专用网络协议实现信息的交流、汇集和处理，从而实现给定局部区域内目标的探测、识别、定位与跟踪。WSN是由大量密集部署在监控区域的智能节点构成的一种网络应用系统，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。传感器网络作为一种新型的信息获取系统，具有极其广阔的应用前景。在民用领域，传感器网络可用于探测、安全、空中交通管制、道路交通监视、工业生产自动化、分布式机器人、生态环境监测、住宅安全监测等方面。在军事领域，传感器网络主要应用于国土安全、战场监视、战场侦察、目标定位、目标识别、目标跟踪等方面。近年来,随着技术水平的大规模提高,当前对无线传感器网络的研究与开发已成为目前信息领域的一个热点,许多大学和研究机构已经加入到这方面的研究工作中来。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等6。加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法，并研制了一个传感器操作系统TINYOS7。加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，并研制了一个感知数据库系统TINYDB8。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法3学和技术问题9。康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面研制了一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统，探讨了如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。14论文的主要工作本实验室一直致力于SF6超声检测技术的研究1014，并成功研制出一种集中式的六氟化硫检测系统。该系统采用超声波测量法，通过特定的气路及气泵，将各个检测点的气体传送到集中检测器进行检测。不仅成本低、精度高而且智能化程度高，已经申请国家发明专利，并已授权。但此系统仍有自己的缺点，比如布线、铺设管道复杂度高，需要工作人员实时在现场监督等等。由于无线传感器网络的优点众多、应用前景广泛，本文作者立足于ZIGBEE平台，传承实验室超声检测特色，将ZIGBEE无线传感器网络与六氟化硫超声检测技术相结合，设计出一种基于ZIGBEE的超声SF6无线传感器检测节点。该无线节点具有如下优点采用无线传输方式，使用两节AA级干电池供电，省去了布线、铺设管道的麻烦，安装简单方便，同时降低了生产成本。立足于ZIGBEE平台，网络的自组织、自愈合能力强，网络容量大、功耗低，在同一工作场所只需设立一个主节点即可对现场所有节点实时在线检测。节点采用低功耗处理，使用CC2430无线单片机，功耗低、启动快、计算能力强，网络的功能强大、生存周期长。节点的体积小，由于无需布线和铺设管道，机动性较强，可以放置于任何偏僻或者狭小地点进行检测，安全性、可靠性更强。15本章小结本章介绍了本课题的研究背景与现实意义，以及六氟化硫检测系统和无线传感网络的研究现状和发展方向。简单说明了本论文的主要工作以及本课题相对已存在系统的实用性和先进性。4第二章ZIGBEE技术及应用21ZIGBEE技术概述ZIGBEE是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZIGBEE是IEEE802154协议的代名词。这一名称来源于源自蜜蜂群BEE在发现花粉位置时，通过跳ZIGZAG形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZIGBEE技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802154（无线个人区域网）协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。ZIGBEE联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZIGBEE联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得15。ZIGBEE的底层技术基于IEEE802154IEEE802154规范是一种经济、高效、低数据速率（250KBPS）、工作在24GHZ和868/928MHZ的无线技术，用于个人区域网和对等网络。表21几种无线通信技术对比市场名称标准GPRS/GSM1XRTT/CDMAWIFITM80211BBLUETOOTHTM802151ZIGBEETM802154应用重点广阔范围声音/初始化HAL层EVBINIT/初始化评估板APLINIT/初始化协议栈ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT/开中断APLFORMNETWORK/形成网络WHILEAPSBUSYAPSFSM/等待完成37WHILE1APSFSM/运行协议栈栈552路由及终端节点程序设计当路由节点ROUTER或者终端节点DEVICEEND开机后，自动搜索网络。当搜索到满足条件的网络时，请求加入网络。如果没有搜索到网络或者加入网络失败次数达到上限时，则发出警报，表明入网失败。路由节点在加入网络后，需要协助维护网络并接力传递协调器的指令或者终端节点的数据，此外根据需要还具有数据采集的功能。终端节点则主要负责上传采集的数据。在树状网络中，路由节点和终端节点加入网络后均处于休眠状态以降低功耗，射频部分接收到信息后将其激活，完成相应动作后又重新进入休眠状态。系统初始化发送加入网络信号采集并上传数据加入网络是否成功空闲状态给子节点分配地址判断收到的信号索要数据命令请求加入网络是否转发其他节点的数据或指令转发数据或命令系统初始化发送加入网络信号采集并发送数据加入网络是否成功空闲状态否其他相关操作空中有无无线信号索要数据命令其他命令是否图54路由节点和终端节点的工作流程图路由节点和终端节点通过调用APLJOINNETWORK运行协议栈。代码如下MAINHALINIT/初始化HAL层EVBINIT/初始化评估板APLINIT/初始化协议栈ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT/开中断尝试接入网络直至成功DOAPLJOINNETWORK/接入网络WHILEAPSBUSYAPSFSM/等待完成WHILEAPLGETSTATUSLRWPAN_SUCCESSWHILE1APSFSM/运行协议栈3856超声检测气体浓度程序设计为了确保利用超声测量法检测空气中六氟化硫气体的浓度的准确性，本文在程序设计中采取的措施有（1）每次对通道的声波传输时间测量50次，连续的两次测量间隔一定的时间，防止因折射、反射造成的干扰。对50组数据采取数字滤波，去除不可靠数据，对有效数据取其平均值；（2）引入温度补偿。外界环境中，温度对声波的传输速度影响最大，温度补偿是超声波精确测量必不可少的。（3）静态误差消除。采用单通道检测，静态误差消除是保证测量精确性的关键。根据式（10）即可计算出通道的静态误差。（4）电压补偿。大部分节点采用两节AA级碱性电池供电，自使用过程中，电池电压的下降必不可免。造成的直接影响有超声发射功率降低，接收端放大倍数降低，比价电压下降等等。在程序设计中，必须加入了电压补偿，确保无线传感器节点采集的数据真实有效。开始C2430产生40KHZ方波，供换能器产生超声波，同时开始计时开启捕获中断捕获到超声波接收端换能器的触发信号，停止发送声波读取计时值，保存到TIMER_BUFERI,II50对TIMER_BUFER中的数据进行滤波处理，得到平均值温度补偿，静态误差补偿，电压补偿计算当前声速和标准空气中的声速比较是否计算出SF6浓度返回39图56超声检测流程图57本章小结本章在总体设计和硬件结构介绍的基础上，按照系统的功能模块分别介绍了各个部分的软件设计思想和实现流程，并对超声检测部分和ZIGBEE网络建设的软件设计进行了详细介绍。本设计软件设计的难点和重点在于六氟化硫气体浓度的精确采集和ZIGBEE网络的构建。第六章测试结果与分析61静态误差1存在静态误差的论证A测量当前温度T，由温度补偿公式计算得到当前声速C（声速补偿公式C3315061T，T为当前气温，单位）；B在当前温度下，将两超声波传感器间距分别放置为3CM,5CM,8CM进行测试；表61误差论证测试结果（MCU捕捉时钟源为32MHZ当前温度198理论声速34358M/S）测试距离3CM5CM8CM结论捕获计数6166805110791实际时间US192962515933722理论时间US87321455323284实际和理论时差US105641060610438平均时差为10536US通过上表数据，分析得出该系统测量数据确实存在着一个比较稳定的差值。若在上表中，以平均误差为参照，和它差值最大的时间差为10438UM（上表中测试距离为8CM的测试数据），两者差值接近1US，而常温下1US声程在03MM左右，考虑到再探头摆放的方向性和肉眼读取刻度的不准确性，03MM偶然误差完全是可能存在的。2静态误差测量通过上面的内容已经分析论证过静态误差的存在后，将通过实验将其准确40测量出来，用L表示两超声传感器实际工作部分之间的距离，用TE表示MCU引入的额外延时，用T表示由MCU得到的计时，CR为当前环境的声速，则有如下表达式L/CRTET将超声波探头相隔6CM左右，在不同的温度下做实验，得到下列数据表62误差测量结果MCU捕捉时钟源为32MHZ温度理论声速CR（UM/US）实测计数N实测时间T（US）结论2613474211024832025028434882410221319406由实验数据解出L72903UMTE110409US折合N3533由于不同节点的检测装置的声程不同以及由于个体差异，每个节点的静态误差需要单独测量。61六氟化硫气体浓度检测监测系统由上位机、主节点及无线传感节点组成，无线节点通过ZIGBEE协议与主节点建立通信，主节点与上位机通过RS232接口连接，由上位机软件实现对节点的访问及管理，结构框图如图61。ULTRASONICTRANSDUCERS16BITTIMER_A/BGENERALI/OPORTSTEMPERATURESENSOR14BITA/DCONVERTERZIGBEETRANSCEIVER10KRAM48KFLASHCC2430MICROCONTROLLERHUMIDITYSENSOR图61上位机、主节点及无线传感器节点框图系统试验平台搭建如图62。六氟化硫气体通过阀门与气体流量控制器与密封实验箱相连。装有浓度为99999SF6气瓶和一个容积为40ML的可全封闭容器通过一个气体流量阀相连。被严格气密的容器内，六氟化硫无线传感器节点将其检测到的容器内的混合气体中SF6浓度、温度，主节点，再由RS232送至计算机查看。41CAB2LSF699999CHAMBERGASBOTTLEMFC图62试验平台搭建上位机管理软件截图与流程如图63。实现在线节点状态的查询与历史温度、浓度数据的实时显示。图63上位机软件截图及框图当容器内无SF6气体的时候开始记录数据。随后，气体流量阀每次控制向容器内通入2ML的SF6，使H2的含量每次增加50PPM，等待约20分钟后，气体混合均匀使得测试到的SF6浓度数据稳定后，记录该数据。实验数据见表63所示。从图中的实验数据可以看出传感器的检测精度已经达到相当高的水平，符合设计要求。表63超声测量结果与实际SF6浓度对比序号实际SF6浓度（）超声分析浓（）温度（）误差（）10004234004240339825605358458720803468468227202585885932401693293132901为了验证系统的正确性，分别在10摄氏度与17摄氏度下进行定温定压时的42数据采集，实验结果如图64表明，在不同温度下声速差与混合气体中的微量SF6浓度具有近似的线性关系，这就说明通过测量声速差CM就可以检测空气中六氟化硫的含量，且理论与实验结果较吻合，因此用超声波测气体成分是可行的。图64不同温度下的实验结果在图64中，左为两组不同温度下的实时测量声速CMT、温度校准声速CT和SF6浓度之间的关系曲线，右为声速差CM与SF6浓度之间的关系曲线。通过大量测试统计和上述数据分析可以说明，本系统的可靠性相当之高，通过标定后，其测量时间精度可以达到单片机捕获所需要的时钟周期，本测试中精度为1US，经计算出本设计节点的SF6浓度检测精度达到了200V/V。62组网试验建一个网络，首先必需要有一个网络协调器处于正常工作状态。打开协调器电源，如果网络建立成功，COORD会从串口输出“NETWORKFORMED,WAITINGFORRX”信息，如图65所示。图65协调器成功建立网络（A）星型网络，支持一个网络协调者和多个RFD节点。首先打开网络协调器模块的电源，43此时模块的红色LED点亮，表示模块建立网络成功。然后打开RFD模块的电源，此时观察网络协调器模块的红色LED闪烁两次，当RFD模块加入到网络中时RFD的红色LED点亮，并且绿色LED跟网络协调者的模块开始同步闪烁。（B）树状网络。首先打开网络协调器模块的电源，此时模块的红色LED点亮，表示模块建立网络成功。然后打开路由器模块的电源，此时观察网络协调器模块的红色LED是否闪烁两次，如果有表示路由器模块加入到网络中，此时路由器模块的红色LED点亮。最后打开RFD模块的电源，此时观察网络协调器模块的红色LED和路由器的红色LED是否闪烁两次。如果路由器的红色LED闪烁两次有表示RFD模块加入到路由器中。如果网络协调器模块的红色LED闪烁两次有表示RFD模块加入到网络协调器模块中。（此时应该把RFD节点靠近路由器一些再打开电源，以便RFD节点加入路由器节点组成串状网络）此时RFD的红色LED点亮，并且绿色LED跟网络协调者的模块开始同步闪烁（RFD节点通过路由器的网络协调器模块通信）。如果现在关掉路由器节点的电源，RFD节点和网络协调器的通信就会中断。63本章小结本章首先对静态误差进行了分析和测量，同时对超声检测六氟化硫气体浓度的准确性和精确性进行了测量，实现了ZIGBEE网络的组建。节点基本实现了设计要求。第七章总结与展望ZIGBEE技术凭借其低功耗、低成本、低复杂度的优势，初露头角就在短距离无线通信领域表现出无限的潜力和广阔的应用价值。本文选择CC2430无线单片机一个显然的优势就是它工作于ISM免执照频段。此外，由于芯片采用了休眠模式，使其具有超低能耗和以年计算的寿命。由于芯片的成本低，因此也就更符合传感器网络需要大量分布节点的特点。再者，芯片已经集成了CRC和数据完整性检查等功能，这就相对减少了程序员编程的工作量，而且硬件处理速度一般都快于软件处理速度，因此加快了通信的速度，减少了能量消耗。同时，44芯片还采用了CSMACA技术来避免数据发送时的竞争和冲突，减少了一部分不必要的能量消耗。随着SF6气体在电力系统中越来越广泛的应用和SF6气体泄露的不可避免，检测精度高、稳定性好、成本低且不会造成二次污染的SF6检测系统已经成为了电力设备中必不可少的装置。超声检测技术由于其精度高、成本低、稳定性，容易实现系统的在线实时测量高等优点，更具有市场潜力，将会得到广泛应用。本文将ZIGBEE技术与超声检测六氟化硫技术相结合，实现了六氟化硫无线传感节点的设计与应用。本节点采用单通道检测方式功耗低，易于与其他嵌入式设备集成。符合仪器小型化、智能化、通用化、网络和嵌入式互联网化的传感器发展方向，十分适合在工业现场环境中使用。由于时间有限，本无线传感器网络系统以后还可以从以下几个方面进一步完善（1）优化软硬件结构，进一步降低功耗由于大多数无线传感器网络采用电池供电，所以低功耗是本系统追求的目标。虽然CC2430在功率消耗表现出色，但是在软件设计上也需要考虑到能量消耗的问题，着重利用终端节点的睡眠机制，比如采用看门狗、中断以及定时器的方式唤醒终端节点进入正常工作状态，其余时间终端节点都处在几乎不消耗电能的睡眠状态等。另一方面，在系统不进行采集数据和休眠的时候，尽量使外围电路及数据采集电路处于电源关断状态，减少外围电路和数据检测电路的能量消耗。（2）完善ZIGBEE协议栈，实现ZIGBEE更强大的网络由于目前使用的精简版的协议栈还不能组成功能强大网状网络，在网络管理、网络安全等多方面都存在很多不足。为了进一步完善网络的功能和安全性，可以移植TI公司提供的免费的协议栈。45致谢本文的研究工作是在单鸣雷老师的悉心指导下完成的。在大学本科最后一年的时间里，单老师对我的工作和学习倾注了大量的心血，特别是在研究思路方面，他循循善诱地启发，开拓我的思路，培养我发现问题、解决问题的能力。他严谨的治学态度，敏锐的洞察力，以及平易近人的工作风格，使我受益匪浅，终身难忘。在此，向我的导师单鸣雷表示最真挚的谢意。感谢315实验室的朱昌平老师，韩庆邦老师和李健老师，在平常的学习科研中他们给予了我很多的指导和帮助，他们的科研水平、科研方法和科研精神使我终生受益。感谢315实验室的研究生张家骅、卞芒犀学长在设计中给予了我启发和帮助。还要特别感谢一直以来和我一起从事电子设计的伙伴黄永亮、黄守霞、李响等同学，从他们那里我学到了很多东西，谢谢他们的帮助和支持，我才能顺利地完成大学四年的学业，成为一个合格的本科毕业生。最后，对所有曾经关心帮助我的老师、同学和朋友表示感谢，并送上衷心的祝福。46参考文献1张全爱六氟化硫气体在全封闭组合电器中的应用J太原科技，2000,328292李艳秋GIS微水含量在线监测系统的研究D上海上海交通大学2006563王晋根,黄弘SF6电器中微水过量的危害及采标建议高电压技术,2002,285494GB/T89051996六氟化硫电气设备中气体管理和检测导5TILAKS,ABUGHAZALEHNB,HEINZELMANWATAXONOMYOFWIRELESSMICROSENSORNETWORKMODELSJACMMOBILECOMPUTINGANDCOMMUNICATIONSREVIEW,2002,6228366HEIDEMANNJ,SILVAF,INTANAGONWIWATC,ETALBUILDINGEFFICIENTWIRELESSSENSORNETWORKSWITHLOWLEVELNAMINGAPROCEEDINGSOFTHE18THACMSYMPOSIUMONOPERATINGSYSTEMPRINCIPLESCBANFFCANADA,2001NEWYORKNY,USAACMPRESS,20011461597HONGW,MADDENSTINYSCHEMACREATINGATTRIBUTESANDCOMMANDSINTINYOSDB/OLHTTP/WWWTELEGRAPHCSBERKELEYEDU/TINYDB/8UNIVERSITYOFCALIFORNIAATBERKELEYTINYDBADECLARATIVEDATABASEFORSENSORNETWORKSDB/OLHTTP/WWWTELEGRAPHCSBERKELEYEDU/TINYDB/9HEINZELMANWR,KULIKJ,BALAKRISHNANHADAPTIVEPROTOCOLSFORINFORMATIONDISSEMINATIONINWIRELESSSENSORNETWORKSAPROCEEDINGSOFTHEANNUALINTERNATIONALCONFERENCEONMOBILECOMPUTINGANDNETWORKING,MOBICOM1999CSEATTLEWA,USA,1999NEWYORKNY,USAACMPRESS,199917418510CHANGPINGZHU，MINGLEISHAN，SHICHUANHE，ETALAPRECISESENSORFORSF6BASEDONPIEZOELECTRICULTRASOUNDJRAREMETALMATERIALS47ANDENGINEERING2006,3515715811朱昌平，单鸣雷，刘永富，张红苹基于CPLD的SF6微量气体浓度检测仪仪器仪表学报，2005，26（8）44844912ZHUCHANGPING,WANGRUIHUA,SHANMINGLEI,LULONGHUI,TUOYANLONGTHEDESIGNOFOXYGENSCARCITYENUNCIATORBASEDONELECTROCHEMISTRYSENSORANDAVRMCUCOMPUTATIONALINTELLIGENCEANDINDUSTRIALAPPLICATIONSPROCEEDINGSOFISCLLA,200628228513朱昌平，江福椿，何德雨，赵帅，张晓花超声SF6气体超标报警系统中基于CPLD数据串行通信的实现工矿自动化，2005（5）262714张晓花，朱昌平，单鸣雷，王瑞华，梁行健基于超声的宽量程微量气体浓度检测仿真研究声学技术，2008，27（1）404315李文仲，段朝玉ZIGBEE无线网络技术入门于实践，2007，5616刘渝灿,基于CC2430片内温度传感器温度检测系统的设计,20087404548附录一无线传感器节点实物图附录二系统测试平台实物图49附录三CC2430系统板原理图附录四英文文献翻译一、英文原文ADEPLOYMENTPROCEDUREFORWIRELESSSENSORNETWORKSTZUCHEHUANG,HUNGRENLAIANDCHENGHSIENKUNETWORKSANDMULTIMEDIAINSTITUTE,INSTITUTEFORINFORMATIONINDUSTRYTZUCHENMIIIIORGTWABSTRACTSINCETHEWIRELESSSIGNALISINVISIBLEANDUNPREDICTABLE,THEDEPLOYMENTISSUEFOR50AWIRELESSSENSORNETWORKWSNBECOMESACRITICALTASKINTHISPAPER,APROCEDUREOFDEPLOYMENTFORAWIRELESSSENSORNETWORKINANINDOORENVIRONMENTISPROPOSEDTHEOBJECTIVEOFTHEPROCEDUREISTOPROVIDEASOLUTIONGUIDEFORPEOPLEWHODONTHAVESUFFICIENTWIRELESSCOMMUNICATIONKNOWLEDGEANDEXPERIENCEINHOWTOCORRECTLYPLACETHEWIRELESSSENSORNODESORDEVICESINTHEINTERESTINGINDOORENVIRONMENT,ESPECIALLYINALARGESCALEDEPLOYMENTCASE,ANDTHENTHEDESIREDCOMMUNICATIONPERFORMANCEOFTHEWIRELESSSENSORNETWORKCANBEACHIEVEDTHEADDRESSEDDEPLOYMENTPROCEDUREISDIVIDEDINTOFOURSUBPROCEDURESANDISDISCUSSEDINDETAILINTHEFOLLOWINGADEPLOYMENTPLANFORANOFFICEANDTHEREALDEPLOYMENTTESTINGRESULTSARETHENPROPOSEDTODEMONSTRATETHEEFFICIENCYOFTHEPROPOSEDDEPLOYMENTPROCEDURE1INTRODUCTIONINRECENTYEARS,BASEDONTHEMATURITYOFLOWPOWER,LOWCOSTANDSMALLSCALECIRCUITDESIGNTECHNOLOGY,ANEWLYAPPLICATIONAREAOFWIRELESSSENSORNETWORKSFORMONITORINGANDSENSINGENVIRONMENT,DETECTINGTHEEVENTS,TRACKINGTARGETSINTHEGIVENREGIONSANDPROVIDINGPERSONALNETWORKSERVICES,ISARISENVERYQUICKLYMOSTOFTHESERVICESINTHISNEWLYAPPLICATIONAREANEEDCERTAININFRASTRUCTURETOACHIEVETHEDATASENSING,PROCESSINGANDCOMMUNICATIONTASKSTHATISWHYTHEDEPLOYMENTPROCEDUREISREGARDEDASTHEMOSTIMPORTANTISSUEINWIRELESSSENSORNETWORK1THETRADITIONALWAYINTHEDEPLOYMENTOFWIRELESSSENSORNETWORKSISMOSTLYPLACINGSENSORNODESBYRANDOMORADHOCMETHODWHICHISCONVENIENTANDSUITABLEFOROUTDOORAPPLICATIONS24INSUCHCASES,THESENSORNODESARECAPABLEOFSELFCONFIGURATIONANDSELFDISCOVERYTOREDUCEPOWERCONSUMPTION,IN5,THEYESTABLISHEDATOPOLOGYTHATACTASACOMMUNICATIONBACKBONEIN6,THEYESTABLISHEDAVIRTUALNETWORKWHOSETOPOLOGYOFAMESHOFSTARSWHICHALSOPROVIDESCOMMUNICATIONFUNCTIONALITYITISREPRESENTEDIN5AND6THATTHEBACKBONENETWORKISESSENTIALTOWIRELESSSENSORNETWORKSWHILEITREQUIREMOREEFFORTTOBEESTABLISHEDSINCEOURUSEOFWIRELESSSENSORNETWORKSLIESONINDOORAPPLICATIONS,WECONSIDERTHATARELIABLECOMMUNICATIONCHANNELSHOULDBECONSTRUCTEDBEFOREANYAPPLICATIONORIENTEDDEVICESBEINGPUTINTOACTIONWHENITCOMESTOSENSORNETWORKDEPLOYMENT,WEPUTOURATTENTIONONDEPLOYINGTHECOMMUNICATIONBACKBONEOFSENSORNETWORKWHILEFULFILLINGTHECONNECTIONQUALITYANDCOVERAGECONSTRAINTSINTOTARGETAREAFURTHERMORE,THEDEPLOYMENTPLANNINGINTHEPROPOSEDMETHOD,A3DSPACEAND3DANTENNARADIOPATTERNAREEMPLOYEDTOMAKETHESIMULATIONRESULTSWILL51BEMOREAPPROXIMATEDTHEREALPHYSICALENVIRONMENTAFTERPLANNINGOFDEPLOYMENT,WEALSOSUGGESTSOMEEFFICIENTTESTINGPROCEDURETOMEASURETHECOMMUNICATIONPERFORMANCEOFTHEESTABLISHEDNETWORKSTHESEARETHEMAJORDIFFERENCESBETWEENOURMETHODANDOTHERS68THERESTOFTHEPAPERISORGANIZEDASFOLLOWSINSECTION2,THEPROPOSEDDEPLOYMENTPROCEDUREFORWIRELESSSENSORNETWORKSISADDRESSEDINSECTION3,ANOFFICEDEPLOYMENTDEMONSTRATIONISILLUSTRATEDTOSHOWTHEEFFICIENCYOFTHEPROPOSEDDEPLOYMENTMETHODTHEN,WEMAKEACONCLUSIONINTHELASTSECTION2THEDEPLOYMENTPROCEDUREFORWSNTHEPROPOSEDPROCEDUREINCLUDESFOURSUBPROCEDURES,WHICHARE1PLANNINGPROCEDURE2DEVICECONFIGURATIONPROCEDURE3NETWORKVERIFICATIONPROCEDUREAND4REQUIREMENTCOMPLETIONPROCEDURETHEWHOLEPROCEDUREISSHOWNINFIGURE1ANDTHEDETAILSOFTHESEPROCEDURESAREDESCRIBEDBELOW21PLANNINGPROCEDUREINTHECONSTRUCTIONOFTHEBACKBONEOFAWIRELESSSENSORNETWORK,WETAKEAFEWTHINGSINTOCONSIDERATIONTHENETWORKCONNECTIVITY,THESIGNALCOVERAGEINTHEAREA,ANDTHENUMBEROFDEVICESUSEDTHEMOSTIMPORTANTTHINGWECAREABOUTISTHENETWORKCONNECTIVITYWHICHSTANDSFORTHEABILITYWHETHERTHEPACKETSCANBESUCCESSFULLYSENTTOTHEIRDESTINATIONTHROUGHTHEESTABLISHEDNETWORKSITMUSTBEASSUREDTHATEACHDEVICEINTHEBACKBONENETWORKISINTERCONNECTED,SINCEITWASESSENTIALTOTHEWHOLENETWORKANDTHEAPPLICATIONSESTABLISHEDABOVEAFTERTHAT,WETAKETHESIGNALCOVERAGEANDTHEDEVICESUSEDINTOACCOUNTINTHENEXTSTEPASAGOAL,WEWOULDLIKETOEXPANDTHESIGNALCOVERAGEOFTHEBACKBONENETWORKTOCOVERTHEWHOLEAREAGENERALLYSPEAKING,EXPANDINGTHECOVERAGEUSUALLYINCREASESNUMBEROFDEVICESUSED,RAISESTHECOSTOFTHESENSORNETWORKATTHESAMETIMETHEPLANNINGPROCEDUREISPROPOSEDTOFINDTHESUITABLEPOSITIONOFEACHDEVICEBYMINIMIZINGTHENUMBEROFDEVICESUSEDWHILEEXPANDINGTHENETWORKCOVERAGETOTHEWHOLEDESIREDREGION52WEHAVEBUILTANAUTOMATEDAPPLICATIONPROGRAMWHICHHELPSTHEUSERSFINDING53THEEXACTPOSITIONWHERETHEDEVICESSHOULDBELOCATEDANDFULFILLTHECOVERAGECONSTRAINTINTHETARGETAREAWHILELIMITINGTHEAMOUNTOFDEVICESREQUIREDINAREASONABLENUMBERTHEREQUIREDINPUTSOFTHEAPPLICATION,GIVENBYTHEUSERS,AREA3DSPACEMODELOFTARGETREGION,THEANTENNAMODELS3DRAD