基于无线传感网络的电力设备检测系统的设计.docx
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基于无线传感网络的电力设备检测系统的设计
基于无线传感网络的电力设备检测系统的设计
摘要
无线传感器网络(WSN)将现代无线通信技术、微传感器技术和网络技术有机地融为一体,具有广阔的应用前景,已成为信息领域的研究热点。
然而由于节点能量有限且电池不易更换,能耗问题已成为无线传感器网络的核心问题。
其中基于ZigBee技术的无线传感器网络以其低功耗、低成本和低复杂度等优点受到高度关注。
因此,本文将对基于ZigBee技术的无线传感器网络的节能技术进行研究。
本文以节能技术为主线,在对ZigBee技术进行介绍后,通过与其它无线通信技术的对比,说明ZigBee技术更适合应用于无线传感器网络。
然后,详细介绍了基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的硬件设计。
硬件的低功耗设计以及动态功率管理在节点上的应用,使节点的平均工作电流达到了0.5246mA。
实际应用中,3.7V20AH的电池可达到的工作天数为1588.459天。
关键词:
无线传感器网络;ZigBee;节点;节能;
DesignofPowerTestingEquipmentBasedon
WirelessSensorNetwork
Abstract
Integratedwithmodernwirelesscommunicationtechnology,micro-sensortechnologyandnetworktechnology,WSNhaswideapplicationforegroundandbecamethecurrentR&DhotspotatIT.Duetolimitationofpowersupplyforthenodesaswellasthecomplexityofbatteryreplacement,energyconservationbecomesakeyprobleminWSN.OnebranchofWSNbasedontheZigBeetechnology,withitsadvantageinlow-power,low-costandlow-complexityisbeingpaidahighdegreeofattentionto.HencethispaperintroducestheresearchonenergyefficiencytechnologyforZigBee-basedWirelessSensorNetworks.
Withinthispaper,wediscussedWSNwithamainlyfocusingonenergyefficiencytechnology.Firstly,beginningwithabriefintroductionofZigBeetechnologyandacomparisonofitwithotherwirelesscommunicationtechnologies,weprovedthatitismoresuitableforWSN.SecondlyweintroducethehardwaredesignofZigBee-basedWSN.
Thehardwaredesignofthelowpowerconsumptionanddynamicpowermanagementonanodeoftheapplication,maketheaverageworkingcurrentnodereached0.5246mA.Inpracticalapplication,3.720AHVbatterycanachievetheworkingdaysfor1588.459days.
KeyWords:
WirelessSensorNetwork;ZigBee;node;EnergyEfficiency;
插图清单
图3-15ADE7758与MCU的接口电路..............................................................................................................25
图4-6ADE7758中断服务子程序流程图………………………………………………………………….36
图4-8发送程序流程………………………………………………………………………………………………38
图4-9接收程序流程……………………………………………………………………………………………....38
表格清单
引言
科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。
传感器技术作为信息采集与获取的最重要的、最基本的技术也已取得了令人瞩目的成绩。
信息获取已经从过去的单一化逐步向集成化、微型化和网络化发展,并将会带来一场信息革命。
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。
最早的代表性论述题为“传感器走向无线时代”。
随后在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年,美国《商业周刊》未来技术专版,论述四大新技术时,无线传感器网络也列人其中。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年(IEEESpectrum)杂志发表一期专集:
传感器的国度,论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。
从无线传感器的概念出发,概括介绍了其发展历程及节点结构和网络结构。
介绍了目前该技术的研究重点及各领域的发展现状,并对每一方向的发展给出了展望。
网络新技术的发展离不开仿真工具的模拟试验,本文又对目前应用在无线传感器领域的仿真工具发展状况给予了概要说明。
最后,结合目前该技术的发展,给出了应用空间。
第1章绪论
1.1课题的背景及意义
1.1.1无线传感器网络
科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。
传感器技术作为信息采集于获取的最重要的、最基本的技术也已取得了令人瞩目的成绩。
信息获取已经从过去的单一化逐步向集成化、微型化和网络化发展,并将会带来一场信息革命。
无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。
从无线传感器的概念出发,概括介绍了其发展历程及节点结构和网络结构。
介绍了目前该技术的研究重点及各领域的发展现状,并对每一方向的发展给出了展望。
网络新技术的发展离不开仿真工具的模拟试验,本文又对目前应用在无线传感器领域的仿真工具发展状况给予了概要说明。
最后,结合目前该技术的发展,给出了应用空间。
更小更廉价的低功耗计算设备代表的“后PC时代”冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式;普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量的;微机电系统(micro-electro-mechanismsystem,简称MEMS)的迅速发展奠定了设计和实现片上系统(systemonchip,简称SOC)的基础。
以上三方面的高度集成又孕育出了许多新的信息获取和处理模式,在这种情况下,一种新型的无线通信技术无线传感器应运而生。
作为一种新型网络,相比传统的无线网络,无线传感器网络具有如下特点:
(1)大面积的空间分布 比如在军事应用方面,可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动,智能化的终端可以被大量装在宣传品、子弹或炮弹壳中,在目标地点撤落下去,形成大面积的监管网络。
(2)能源受限制 网络中每个节点的电源是有限的,网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中,几乎不可能更换电源,这要求网络功耗小,以延长网络的寿命。
而且要尽最可能节省电源消耗。
(3)网络自动配置,自动识别节点 包括自动组网、对入网的终端进行身份验证阻止非法用户入侵。
相对于那些布置在预先指定地点的传感器网络而言,无线传感器网络可以借鉴Ad hoc方式来配置,当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自动运行。
(4)网络的自动管理和高度协作性 在无线传感器网络中,数据处理由节点自身完成,以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一特点。
每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识,传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信,具有很强的协作性。
(5)传感器网络的拓扑结构变化快 传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快,这对网络各种算法的有效性提出了挑战。
此外,如果节点具备移动能力,也有可能带来网络的拓扑变化。
1.1.2ZigBee技术
ZigBee技术是一种新型的短距离无线通信技术,物理层和MAC层(数据链路层)由IEEE802.15.4协议标准定义,网络层和安全层由ZigBee联盟来制定应用层则由用户按照其需求进行开发利用。
ZigBee技术具有以下特点:
(1)成本低
ZigBee技术通过简单协议和低数据率合理地控制了ZigBee芯片的成本,目前ZigBee芯片的成本在3美元左右,ZigBee设备成本的最终目标是在1美元以内。
(2)体积小
ZigBee芯片的体积较小,Freescal公司生产的MC13192大小尺寸为5mm*5mm,TI公司生产的CC2420大小尺寸为7mm*7mm,随着半导体技术的发展ZigBee芯片的尺寸会越来越小。
(3)功耗低
ZigBee设备其发射输出0-3.6dBm,通信距离为30-70m,还具有能量检测和链路质量指示能力,根据检测结果可自动调节发射功率,在保证链路质量的前提下可以最小地消耗设备能量。
(4)网络容量大
在星型网络中地址编码为16位短地址,可容纳最大设备为216个,在点对点网络中地址编码为64位长地址,可容纳最大设备为264个。
(5)数据安全
ZigBee技术采用了AES-128加密算法,对传输的数据进行了加密处理,保证了数据传输的安全性。
(6)工作频段灵活,传输速率低
ZigBee设备可以工作在三个频段,868MHz、915MHz和2.4GHz。
其中2.4GHz为全球通用的工业、科学、医学(ISM:
Industrial,ScientificandMedical)频段,是免付费免申请的频段,在该频段分布16个信道数据传输率为250kbps。
915MHz频段上分布10个信道,传输速率为40kbps。
868MHz频段上分布1个信道,传输速率为20kbps。
结合无线传感器网络对无线通信的要求,ZigBee技术非常适合应用于无线传感器网络,目前已成为很多公司对无线传感器网络的解决方案。
同时ZigBee联盟已经从最初的英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司,发展壮大为由100多家芯片制造商、软件开发商、系统集成商等公司和标准化组织组成的技术组织,而且还在不断地发展壮大。
在2004年ZigBee技术的标准正式发布以后,很多公司推出了符合ZigBee标准的芯片和开发系统,如飞思卡尔推出了MC13192,Chipcon推出了CC2420(现在已被TI收购),现在符合ZigBee标准的芯片正不断地被开发出来,而且性价比越来越高。
1.2研究现状与发展趋势
无线传感网络(WSN,wirelesssensornetworks)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性,连接任何有通信需求的终端设备,采集数据,发送指令。
若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”,将一把“豆子”(可能100粒,甚至上千粒)任意抛撒开,经过有限的“种植时间”,就可从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。
作为无线自组双向通信网络,传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网,同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
在无线传感器网络体系结构的这三大部分中,目前的发展主要集中在几个方面,在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究;在网络管理技术层,主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现;在网络支撑技术层,主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现.这其中,协议的研究与节能的实现又是相辅相成的。
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。
最早的代表性论述题为“传感器走向无线时代”。
随后在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年,美国《商业周刊》未来技术专版,论述四大新技术时,无线传感器网络也列人其中。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年(IEEESpectrum)杂志发表一期专集:
传感器的国度,论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
第一代传感器网络出现在20世纪70年代。
使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器,采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感器网络,具有获取多种信息信号的综合能力,采用串,并接口(如RS-232、RS-485)与传感控制器相联,构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在20世纪后期和本世纪初,用具有智能获取多种信息信号的传感器,采用现场总线连接传感控制器,构成局域网络,成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发,目前成形并大量投入使用的产品还没有出现.用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器,采用自组织无线接入网络,与传感器网络控制器连接,构成无线传感器网络。
第2章ZigBee概述
2.1ZigBee简介
2.1.1ZigBee的由来
ZigBee技术是一种近距离、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。
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。
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。
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。
2.1.2IEEE802.15.4
IEEE802.15.4是规范低速率无线个人局域LR-WPANS(Low-RateWirelessPersonalNetwork)的MAC层和PHY层。
这是一种简单、低成本的连接网络。
IEEE802.15.4标准为网络中的每层规定了四种服务原语,分别是请求原语、指示原语、响应原语和确认原语。
图2-1服务原语
从上图可以看出,这些原语是通过与N-user:
关联的服务入口点SAP(ServiceAccessPoint)从一层发送到另一层,这些原语是用于传送具体的信息。
(1)请求原语:
当启动一个服务的时候,由N-user向N-layer发送一个请求原语;
(2)确认原语:
由N-user向N-layer发送的,传递一个或多个先前设备的请求信息;
(3)指示原语:
由N-layer向N-user发送的,用来指示内部的N-layer的事件;
(4)响应原语:
由N-layer向N-user发送的,完成指示原语调用的过程。
2.2ZigBee的网络拓扑结构
在ZigBee网络中;根据设备的功能定义了三种设备:
协调器、路由和终端设备。
协调器是整个网络的中心部分,每个网络中必须有且仅有一个协调器;路由的主要功能是负责数据的转发和网络的拓展;终端设备则主要是实现网络的功能,通常与传感器相连,进行相应的检测和控制。
另外,在ZigBee网络中还规定了两种设备类型:
全功能设备FFD(full-functiondevice)和精简功能设备RFD(reduced-functiondevice),前者附带了IEEE802.15.4标准指定的全部功能和所有特征,具有更多的存储器、计算能力,它可以作为协调器,路由或终端设备;而RFD附带了有限的功能,用来控制成本和复杂度,节省了费用,在网络中通常是作为终端设备,并且它只能与一个FFD通信。
ZigBee协议户规定了三种网络拓扑结构:
星型结构(Star)、簇树型结构(Clustertree)、网状结构(Mesh)。
在星型网络中,整个网络是由ZigBee协调器来控制的,它负责网络中设备的启动和维护,而且除了这个中心节点以外,其它所有的设备都是终端设备,直接与协调器进行通信。
在簇树型和网状型网络中,ZigBee协调器负责启动一个网络,它们可以通过路由来扩展网络的覆声范围。
在簇树型结构中,与协调器相连的可以是路由,也可以是终端设备,而在网状结构中,与协调器相连的只能是路由,终端设备只能与路由相连。
这三中结构中,星型网络结构简单,容易实现,适用了一些简单的应用,而其它两种网络结构,都涉及到路由的管理和维护,适合传输距离较长的应用。
图2-2ZigBee的网络拓扑结构
2.3ZigBee的主要特征
ZigBee协议主要有以下几个特点:
(1)低功耗:
由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且终端节点采用了休眠模式,两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦;
(2)低成本:
ZigBee数据传输速率低,协议简单、降低了对通信控制器的要求等,这就大大降低了成本。
且ZigBee协议免收专利费;
(3)低速率:
ZigBee工作在20~250kbps的较低速率,满足低速率传输数据的要求;
(4)近距离:
传输范围在l0m-75m之间,基本上能够满足家庭和办公室的环境,通过增加发射功率或路由的转发可以使传输距离变的更远;
(5)短时延;响应速度快,设备搜索时延为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms;
(6)高容量:
理论上,可以连接的节点个数多达多可以容纳255个设备;65000个;
(7)高安全性:
提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包数据完整性检查和鉴权的功能,在数据传输中还提供了可选的三级安全性;
(8)高可靠性;采用了碰撞避免机制(CSMA-CA),同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突,还可以采用带确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息;
(9)全球通用性和完好的开放性:
因为ZigBee标准协议,所以各设备之间可以相互通信;
(10)工作频段灵活:
使用的频段有2.4GHz、868MHz及915MHz,均为免执照频段。
2.4ZigBee的栈体系结构
ZigBee的协议体系结构是基于标准的OSI(OpenSystemsInterconnection)的七层模块,但是它只定义了与目标市场相关的四层。
其中,底下两层:
PHY层和MAC层是由IEEE802.15.4-2003标准来定义的,而上层则是由ZigBee联盟来定义的,包括NWK层和应用层,其中应用层又包括应用支持子层(APS),ZigBee设备对象(ZDO)以及由制造厂商定义的应用对象(AO)。
每一层都提供两种服务:
数据服务和管理服务,这两种服务对应着两种实体:
数据实体和管理实体,层与层之间是通过服务入口点来传送信息的。
2.4.1PHY层描述
802.15.4-2003的物理层(PHY)定义了物理无线信道以及与M子层之间的接口,它的主要功能是:
(1)使射频收发器激活或进入休眠状态;
(2)信道能量检测(energydetect,ED);
(3)检测接收数据包的链路质量指示(linkqualityindication,LQI);
(4)空闲信道评估(clearchannelassessment,CCA);
(5)数据包的发送和接收。
表2-1频率带宽与数据率
频带
(MHz)
码片速率
(Kchip/s)
调制
比特速率
(Kb/s)
符号速率
(ksymbol/s)
符号
868-868.6
300
BPSK
20
20
二进制
902-928
600
BPSK
40
40
二进制
2400-2483.5
2000
Q-QPSK
250
62.5
16相正交
IEEE802.15.4-2003有三个独立的频率范围:
868MHz,915MHz和2.4GHz。
较低的两个频率主要用于美国和欧洲,而较高的频率则是全球通用的。
不同频率上的相关参数表所示。
IEEE802.15.4标准中对信道的划分也做了详细的规定,一共规定了27个信道,编号为0-26,如图2.4所示,其中2450MHz占16个,915MHz占10个,868MHz占1个,具体的计算为:
Fc=868.3.,k=0
Fc=906+2*(k一1),k=1,2,…,10
Fc=2405+5*(k一11),k=11,12,,…,26
其中,k是信道号,单位是MHz。
图2-3IEEE802.15.4规定的信道
如表2-2所示,每个ZigBee物理层协议数据单元(PPDU)数据包由三部分组成:
同步包头SHR,允许接收设备锁定在比特流上,并且与该比特流保持同步;物理层包头PHR,包含帧长度的信息;物理层净荷PSDU,长度可变的净荷,它携带MAC层的帧的信息。
其中SHR由两部分组成:
前同步码和帧
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