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

JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower

Vo1.31NO.1

Feb.2O1O

文章编号:1002—5634(2010)01—0073—03

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:A

1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

IEEE802.15.4MAC

IEEE80215.4lIEEE802.15.4

868/915IVlHzPHYl2.4GHzPHY

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,Zig—

Bee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Visual

Basic6.0,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:2009—06—03

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

8O51

MCU

ZigBee

协议层

图3CC2430ZigBee芯片结构

ADC

PIO

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(z—Stack),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5—6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ll

l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57600bps

VB6.0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COM1

MSComm1.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

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DesignandExploitationofZigBeeWirelessSensorNetworkManagementSystemBasedonCC2430

WANGTing—ling,CHENJian—ming,XIONGJun—hua

(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)

Abstract:AsetofZigBeewirelesssensornetworkmanagementsystembasedonCC2430wasdesignedusingZigBeetechnologyand