毕业设计（论文）-基于ZigBee的六氟化硫无线检测节点设计.doc

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1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 基于基于 ZigBeeZigBee 的六氟化硫无线的六氟化硫无线 传感器节点设计传感器节点设计 专业年级专业年级 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 评评 阅阅 人人 二二九年六月九年六月 计算机及信息工程学院（常州）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（理 工工 科科 类）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）

2、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

3、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 3-4 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： 1. ZigBee 技术基础及案例分析 金纯 编著 国防工业出版社 2008 2. 无线传感器网络技术 李晓维 主编

4、北京理工大学出版社 2007 3. 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 摘摘 要要 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IEEE802.15.4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

5、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

6、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200-2500V/V。 关键字：关键字：无线传感器 ，IEEE 802.15.4 ，ZigBee ，超声检测 ，六氟化硫 ，CC2430 Abstract ZigBee is a new close-up, low-complexity, low-power, low data rate, low-cost wireless network technology. It is based on IEEE802.15.4 standards, in thousands

7、 of tiny sensors to achieve communication between the co-ordination. These sensors only need very little energy, a way to relay the data through radio waves from one sensor to another sensor, so the efficiency of their communication is very high. SF6 gas which has excellent insulation and interrupti

8、on performance is widely used in the power system. However, during the operation of electrical equipment SF6 gas leakage will harm the human body, so to accurately detect the concentration of SF6 gas is a safe and reliable operation of electrical equipment protection. The system based on the ZigBee

9、wireless network technology, use of ultrasonic testing technology to design a wireless sensor node detect the concentration of SF6 gas, which is not only low-cost, high precision, easy installation, and suitable for non-duty substation trends.The wireless sensor network nodes less external circuitry

10、, low power consumption, functionality can be powerful and fast processing speed, according to the actual needs can be set up for the star, tree networks, which is strong , safe ,reliable maintenance and long lifetime.The detection accuracy for SF6 concentration of the system is better than 100ppm;

11、the detection range from 200-2500V / V. Keywords: Wireless sensor , IEEE 802.15.4 , ZigBee , Ultrasonic detection , SF6 , CC2430 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 研究背景.1 1.2 SF6检测系统的研究现状.1 1.3 无线传感器网络的研究现状.2 1.4 论文的主要工作 3 1.5 本章小结 3 第二章第二章 ZIGBEEZIGBEE 技术及应用技术及应用.4 2.1 ZIGBEE技术概述4 2.2 IEEE 802.15.4 标准5 2.3 ZI

12、GBEE协议栈.7 2.3.1 ZigBee 协议栈结构.7 2.3.2 ZigBee 网络设备类型.8 2.3.3 ZigBee 网络拓扑结构.9 2.4 ZIGBEE 的应用前景.10 2.5 本章小结.11 第三章第三章 无线传感器节点总体设计方案无线传感器节点总体设计方案 .11 3.1 无线传感器节点框架设计.11 3.2 超声检测法 12 3.2.1 单通道超声测量原理12 3.2.2 温度补偿原理15 3.2.3 单通道超声检测静态误差15 3.2 温度采集模块设计 16 3.2.1 CC2430 片内温度传感器.16 3.2.2 误差补偿处理17 3.3 ZIGBEE网络拓扑结

13、构设计 .18 3.4 本章小结19 第四章第四章 无线传感器节点的硬件设计无线传感器节点的硬件设计.20 4.1 CC2430 控制模块设计 .20 4.1.1 CC2430 片上系统.20 4.1.2 CC2430 的 8051 内核.22 4.2 超声检测模块设计 23 4.3 ZIGBEE射频模块设计.24 4.3.1 CC2430 射频模块.24 4.3.2 IEEE 802.15.4 调制方式27 4.4 RS232 串口通信模块设计28 4.5 电源模块设计 28 4.6 状态显示模块.29 4.8 本章小结.30 第五章第五章 无线传感器节点的软件设计无线传感器节点的软件设计.

14、30 5.1 ZIGBEE软件集成开发平台选择 .30 5.2 ZIGBEE协议栈的选择.31 5.3 硬件驱动程序设计.32 5.4 网络配置33 5.5 无线传感器节点软件设计.34 5.5.1 协调器程序设计.35 5.5.2 路由及终端节点程序设计.36 5.6 超声检测气体浓度程序设计.37 5.7 本章小结38 第六章第六章 测试结果与分析测试结果与分析38 6.1 静态误差38 6.1 六氟化硫气体浓度检测.39 6.2 组网试验41 6.3 本章小结42 第七章第七章 总结与展望总结与展望.42 致致 谢谢44 参考文献参考文献45 附录一无线传感器节点实物图附录一无线传感器节

15、点实物图 47 附录二附录二 系统测试平台实物图系统测试平台实物图47 附录三附录三 CC2430 系统板原理图系统板原理图.48 附录四附录四 英文文献翻译英文文献翻译 .48 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 研究背景研究背景 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（Gas I

16、nsulated Switchgear，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

17、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/T 8905-1996）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7.3.3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。 1.21.2 SFSF

18、6 6检测系统的研究现状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

19、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。 1.31.3 无线传感器网络的研究现状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（Wireless Sensor Network，WSN）就是 由许多集传感与驱动控制能力

20、、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

21、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TinyOS 7。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

22、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。 1.41.4 论文的主要工作论文的主要工作 本实验室一直致力于SF6超声检测技术的研究10-14，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、

23、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

24、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。 1.51.5 本章小结本章小结 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 第二章第二章 ZigBeeZigBee 技术及应用技术及应用 2.12.1 ZigBeeZigBee 技术概述技术概述 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

25、线标记技术和蓝牙之间的技术方案。 ZigBee是IEEE 802.15.4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IEEE802.15.4（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。z

26、igbee的底层技术基于IEEE 802.15.4. IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（250kbps） 、工作在2.4GHz 和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。 表 2-1 几种无线通信技术对比 市场名称 标准 GPRS/GSM 1xRTT/CDMA Wi-FiTM 802.11b BluetoothTM 802.15.1 ZigBeeTM 802.15.4 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 aplF

27、ormNetwork();/形成网络 while(apsBusy)() apsFSM();/等待完成 37 while(1) apsFSM();/运行协议栈栈 5.5.25.5.2 路由及终端节点程序设计路由及终端节点程序设计 当路由节点(Router)或者终端节点(Device End)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，

28、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 5-4 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：

29、main() halInit();/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 do aplJoinNetwork(); /接入网络 while(apsBusy() apsFSM();/等待完成 while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS); while(1) apsFSM();/运行协议栈 38 5.65.6 超声检测气体浓度程序设计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

30、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

31、电压补偿，确保 无线传感器节点采集的数据真实有效。 开始 CC2430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_bufferi, i+ i = 50? 对Timer_buffer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5-6 超声检测流程图 5.75.7 本章小结本章小结 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

32、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。 第六章第六章 测试结果与分析测试结果与分析 6.16.1 静态误差静态误差 (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 C = 331.5 + 0.61T ，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6-1 误差论证测试结果（MCU捕捉时钟源为32MHz 当前温度19.8 理 论声速 343.58m/s） 测试距离

33、3cm5cm8cm结论 捕获计数6166805110791 实际时间(us)192.96251.59337.22 理论时间(us)87.32145.53232.84 实际和理论时 差(us) 105.64106.06104.38 平均时差为: 105.36us 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104.38um（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0.3mm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，0.3mm偶然误差 完全是可能存在的。 (2)静态误

34、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/Cr +te =t 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6-2 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 26.1 347.42110248320.250 28.4 348.82410221319.406 由实验数据解出 L =72903um Te

35、= 110.409us 折合N = 3533 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。 6.16.1 六氟化硫气体浓度检测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6-1。 Ultrasonic Transducers 16-bit Timer_A/B General I/O Ports Temperature Sensor 14-bit A/D Converter ZigBee Tran

36、sceiver 10K RAM 48K Flash CC2430 Micro Controller Humidity Sensor 图6-1 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6-2。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99.999%SF6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。 41 c a b 2L SF6 99.999% Chamber Gas bottle MFC 图6-2 试验平

37、台搭建 上位机管理软件截图与流程如图6-3。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6-3 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6-3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 6-3 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 （） 100.0423.40.04 240.3

38、39.825.60.5 358.458.720.80.3 468.468.227.2-0.2 585.885.932.40.1 693.293.132.9-0.1 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6-4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6-4 不同温度下的实验结果 在图6-4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

39、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。 6.26.2 组网试验组网试验 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“Network formed, waiting for RX” 信息，如图 6-5 所示。 图 6-5 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

40、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

41、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。 6.36.3 本章小结本章小结 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Zig

42、Bee网络的组建。节点基本实现了 设计要求。 第七章第七章 总结与展望总结与展望 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

43、还采用了CSMA-CA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

44、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ZigB

45、ee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 致致 谢谢 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

46、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， 2000,3:28-29. 2.李艳秋.GIS 微

47、水含量在线监测系统的研究D.上海：上海交通大学. 2006. 5-6. 3. 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,2002,28(5):49. 4. GB/T 8905-1996 六氟化硫电气设备中气体管理和检测导. 5.Tilak S, Abu-Ghazaleh N B, Heinzelman W. A Taxonomy of Wireless Micro-sensor Network Models J. ACM Mobile Computing and Communications Review, 2002,6(2):28 36. 6.Heidemann J,

48、 Silva F, Intanagonwiwat C, et al. Building Efficient Wireless Sensor Networks with Low Level Naming A. Proceedings of the 18th ACM Symposium on Operating System Principles C. Banff (Canada), 2001. New York (NY, USA): ACM Press, 2001.146159. 7.Hong W, Madden S. Tiny Schema: Creating Attributes and Commands in TinyOS DB/OL.http:/www.telegraph.cs.berkeley.edu/tinydb/. 8.University of California at Berkeley. TinyDB: A Declarative Database for Sensor Networks DB/OL.http:/www.telegraph.cs.berkeley.edu/tinydb/. 9.Hein