很多人都認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機(jī)系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　在電力系統(tǒng)中，高電壓、大電流供電設(shè)備隨處可見，這些設(shè)備在母線承載電流過大或開關(guān)接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導(dǎo)致?lián)舸斐蓯盒允鹿?。因此及時測量高壓母線接頭和高壓開關(guān)觸點(diǎn)溫度，為采取有效措施提供信息，將是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。

　　目前，專門用于測量高壓母線接頭和高壓開關(guān)觸點(diǎn)溫度的方法有以下三種：

　　其一、在母線接頭和開關(guān)觸點(diǎn)的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料（如感溫臘），通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍。這種方法準(zhǔn)確度低、可讀性差，不能進(jìn)行定量和實(shí)時測量，方法原始且對員工的要求高。

　　其二、利用紅外測量儀，操作人員定時手持儀器對準(zhǔn)母線接頭和高壓開關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行測量。這種方法在 0℃～200℃之間的溫度值誤差小、準(zhǔn)確度高，但是，仍然無法做到實(shí)時測量，且價格高、光學(xué)器件在高壓場合使用不便。

　　其三、目前的無線測溫設(shè)備。由于無線發(fā)射設(shè)備本身供電功率較大并要求高壓絕緣，用于檢測高等級電壓回路，成本很高，無法普及。

　　針對上述幾種方案優(yōu)缺點(diǎn)的分析，本文在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫管理系統(tǒng)。通過采用 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開關(guān)接點(diǎn)溫度的實(shí)時在線檢測，并通過互聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)控中心實(shí)時監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測。 1 應(yīng)用方案設(shè)計

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫管理系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)（ RFD）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（ FFD）及監(jiān)控中心組成。如所示。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）；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器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（通用計算機(jī)）通過RS-232串口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信。

 
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　　2 ZigBee體系結(jié)構(gòu)

　　Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

　　基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee體系結(jié)構(gòu)如所示。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)，而 ZigBee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）層實(shí)現(xiàn)了 IEEE

　　802.15.4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，它獨(dú)立處理傳入數(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)。 

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　　3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

　　傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的部件采用Chipcon公司生產(chǎn)的 2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430。該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內(nèi)存和微控制器等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。

 
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　　CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能。無線測溫傳感器電路如所示： 

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　　DS1822是一種一線數(shù)字溫度計，它用一根信號線來實(shí)現(xiàn)互連通信，其內(nèi)部電路的是一個直接數(shù)字輸出的溫度傳感器。它可以將 -55℃~125℃范圍內(nèi)的溫度值按 9位、10位、11位、12位的分辨率進(jìn)行量化，其分辨率為 0.625℃，工作電壓范圍為 3.0 V~5.5 V。每一片DS1822都有一個的且不可改寫的 ROM ID（標(biāo)識碼，即電子序列號），在實(shí)際應(yīng)用中可以通過指令方便地進(jìn)行查詢。CC2430通過定時采樣 DS1822的溫度值，可以降低功耗。

　　FFD（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）的電路圖與 RFD（傳感器節(jié)點(diǎn)）的電路圖基本類似，只是在 FFD的電路圖中增加了一片RS-232接口芯片MAX3243，實(shí)現(xiàn) CC2430與監(jiān)控中心的通信。 4 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

　　軟件部分需要解決的問題包括：溫度及報警信息的采集；ZigBee協(xié)議棧（ Z-Stack）； ZigBee與PC機(jī)的通信等。溫度及報警信息的采集可由 CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成。ZigBee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。

　　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， RFD節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的 64位物理地址。之后網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到 RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的 64位物理地址后，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)加入網(wǎng)絡(luò)成功。

　　CC2430中含有兩個串行通信接口 USART0和USART1。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： U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制與狀態(tài)寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。

　　針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（路由節(jié)點(diǎn)）和 RFD節(jié)點(diǎn)，程序所用的協(xié)議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節(jié)點(diǎn)的初始化程序，利用條件編譯分別到不同的節(jié)點(diǎn)中。限于篇幅，文中只給出了與上位機(jī)通信相關(guān)的FFD主程序：

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　　5 監(jiān)控界面設(shè)計

　　//CC2430初始化 //初始化協(xié)議棧 //使能中斷  //P1端口輸出模式設(shè)定

　　//P0.5接LED，顯示協(xié)調(diào)器的狀態(tài)

　　//p1_0、p1_3點(diǎn)亮   //格式化一個新的網(wǎng)絡(luò) //等待格式化網(wǎng)絡(luò)完成

　　//起始位為低電平，停止位為高電平   //一幀數(shù)據(jù)為10位 //UART模式，接收使能 //波特率為57600bps

　　//應(yīng)用層處理函數(shù)

　　//發(fā)起始字符 // UTX0IF=0時，字符發(fā)送成功 //屏蔽發(fā)送完成中斷

　　//節(jié)點(diǎn)地址

　　//屏蔽發(fā)送完成中斷 //發(fā)送節(jié)點(diǎn)溫度

　　//使能接收  //讀接收緩沖器的值  //y為上位機(jī)控制信息 //屏蔽接收完成中斷

　　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，可以方便的實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與 CC2430之間的串行通信。監(jiān)控中心通過 RS-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)，并可以對 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，無奇偶校驗位。為了使用 MSComm控件，需要在“部件”對話框的“控件”選項卡中選中“ Microsoft Comm Control 6.0”選項，單擊“確定”按鈕后控件將被添加到Visual Basic的工具箱中。

　　Visual Basic6.0是面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計語言，采用事件驅(qū)動的編程機(jī)制，對各個對象需要響應(yīng)的事件分別編寫程序代碼，對每個事件過程的程序代碼來說，一般比較短小簡單，調(diào)試維護(hù)也比較容易。本控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序需要響應(yīng)的事件

　　有：退出監(jiān)控界面事件、控制設(shè)定事件、裝載事件（初始化通信口）、定時器事件、信息接收事件等。限于篇幅，本文只列出裝載事件的程序代碼及注釋。 Private Sub Form_Load（ ） '裝載事件，運(yùn)行監(jiān)控界面時發(fā)生

　　實(shí)驗與結(jié)論

　　基于 CC2430的 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過在南陽某 110kV變電站進(jìn)行的測試，獲得了良好的效果。測試用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的硬件部分由 6個 RFD節(jié)點(diǎn)、1個 FFD節(jié)點(diǎn)及一臺筆記本電腦組成。測試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下： RFD與 FFD的通信距離遠(yuǎn)可達(dá) 180米（加長天線）， FFD與 PC通信距離可達(dá) 10米（制作的 RS-232數(shù)據(jù)線為 10米），無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的時間小于 1秒，RFD加入網(wǎng)絡(luò)的時間小于 0.5秒，PC機(jī)上的監(jiān)控信息刷新時間小于 1秒，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的要求。變電站的電磁干擾對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)無影響。測試的結(jié)果表明，本文所設(shè)計開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是成功的，具有很好的應(yīng)用價值。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫管理系統(tǒng)，通過采用 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開關(guān)接點(diǎn)溫度的實(shí)時在線檢測，并通過互聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)控中心實(shí)時監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測。