我的毕设

随着电力市场发展和客户需求的不断提出，如何运用现代高科技技术手段来建设一个更加优秀的企业管理信息平台，以达到管理“信息化”、“精细化”的管理要求，并满足客户日益发展的服务已经成为了电力部门关注和研究的一个课题。

ZigBee 作为最近新出现的无线通信技术，以其协议简单、成本低、功能小、组网容易等特点，在智能家居、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。

本文介绍了如何利用 ZigBee 无线通信技术组建变电站监控装置的无线数据传输平台，以实现对变电站关口表计数据采集与监控，并利用 TI 公司 CC2430 开发套件的国内复制版—深圳金图旭昂有限公司的 TSZ-CC2430 开发系统作为开发平台，实现星型网络和簇树型网络的组建。

在无线数据传输平台的设计上，本文采用了 Chipcon 公司推出的用来实现嵌入式 ZigBee 应用的片上系统 CC2430。CC2430 是一颗真正的系统芯片(SoC)，能够提高性能并能满足以 ZigBee 为基础的 2.4GHz ISM 波段应用对低成本，低功耗的要求。其功能模块集成了 DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心 CC2420 和增强工业标准的 8051 微控制器内核。

在开发环境的选择上，本文选择移植美国密西西比大学的精简 ZigBee 协议栈，借用其 PHY 层和 MAC 层，对 ZigBee 协议的网络层和应用层进行改进和开发。此精简协议栈的优点在于，它是针对学生学习和开发而设计的，功能简单，易学易用，并且具有良好的可扩展性。此协议栈支持 CC2430、CC2420 芯片，是借鉴 Microchip ZigBee 协议栈所设计的，有较高的可靠性。

关键词：ZigBee; CC2430 ;星型网络; 簇树型网络

ABSTRACT

With the development of power market and new demand of custom, it is

becoming a new and more concerned subject to build a good corporation management information platform to achieve informational and refined management and service that custom demands.

ZigBee, as a new technology of wireless communication, which is simple of protocol, low cost, low power and easy of building network, has widen market in intelligent home machine, building automation and industry monitoring and controlling area.

In this article, it is introduced that using ZigBee to build wireless data

transmission platform of consumer ammeter in corporation power information management system, in order to realize the sampling and monitoring ammeter of substation and consumer. Use TSZ-CC2430, a copy of CC2430 of TI, to build radial and tree network.

CC2430, system on chip, which is designed for embed ZigBee, is chosen to apply in the design of wireless data transmission platform. CC2430 meets demand of low cost and power for 2.4G Hz ISM based on ZigBee. Its functional module integrates DSSS radio-wave transceiver core CC2420 and enhanced industrial standard 8051 core.

Net layer and applying layer of ZigBee protocol is improved by using PHY and MAC layer of transplanting simplified ZigBee protocol stack of Mississippi College. The advantage of simplified protocol is that it is design for students’ learn and

research. Its function is easy to learn, which has good expansion. The protocol support CC2430. CC2430, designed according to Microchip ZigBee protocol stack, is of high reliable.

KEY WORDS：ZigBee，data transmission platform，radial network，tree network

第一章 绪论

在电力工业快速发展的同时，电力体制改革也逐步深入，而在这改革过程中各级电力企业均面临着新的挑战。企业的工作重点己由原来的单一安全生产转变为以经济效益为中心的全方位的综合发展。现阶段，电力信息化建设的重要性己越来越深入人心，电力系统内的各家企业纷纷建设起了自己的具有各自特色的管理信息系统。

1.1论文的背景和意义

配电变压器是配电网中的一个重要设备，配电变压器是电力供电的最基本单元，是配电网中将电能直接分配给低压用户的设备，配变具有分散、地理环境情况变化多端、覆盖面广、用户众多，容易受用户增容和城市建设影响等特点。配电变压器的监控对配电自动化管理、线损分析、负荷预测、电力需求侧的管理具有重大意义。

配变实时监控系统是对配电变压器的三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、零序电流、四象限电量等运行参数进行长期不间断实时监测，并将监测数据加以存储，其存储的监测数据可通过有线或无线网络，与变电站自动化装置或主站服务器进行连接并完成数据通讯，由计算机专用管理软件进行数据的分类、存储、共享和管理人员可随时查询和分析，并可选取需要的数据进行报表输出和曲线打印。它可以及时掌握配变的运行情况，防止配变负荷严重超载导致设备的烧毁、三相负载严重不平衡导致配变的加速损坏，配变长期轻负荷运行导致的不经济运行状态和大量感性负载运行导致的功率因数过低、高线损等。对配变运行实时监测、抄取、分析、处理和控制，可以及时调整配变运行状态，合理配置配变容量，调整配变的低压智能无功补偿控制等，保证配变安全、稳定、高效的运行。

配变由于其安装位置分布、安装地点等问题，造成设备数量多、运行环境恶劣;地理地形分布不平衡，比较分散等特点。基于以上特点，光纤通讯、有线电缆、电力载波通讯组网无论在技术上，还是资金投入产出比上都不太可行，所以采取什么样的通讯，成为配变监测系统能否真正得到推广、实施的关键。为了解决现状中存在的问题，现将ZigBee通讯技术应用到电力配变监测系统当中，用于改善现有通讯手段的不足。ZigBee网络具有省电、可靠、成本低、容量大、安全性高等技术优势。完全符合电力配网设备终端通讯的信号传输需求。

1.2国内外研究现状

目前，国内大部分地区用于配变监测的传输技术仍然使用的是传统的GPRS/GSM通讯方式，这种通讯方式是利用终端设备上的GPRs/GSM信号传输模块将现场的数据通过移动运行商提供的公用无线网络(简称G网)发送到监测主站中从而显示出现场数据信息。

配电系统因为分支线多而复杂，在进行线路监测时需要使用大量的终端GPRS/GSM通信模块，在现阶段配变检测系统的终端设备都需要使用移动运行商的网络来进行数据传

输，通常采用按流量计费或包月的形式进行费用结算，其费用较高，且通讯状况完全依赖于移动运营商的网络状态。

针对一些跨省的交界地区，人口密集度较小的地区现有的GPRS/GSM网络覆盖率不好，直接限制了配电网通讯的发展。这些地域大部分处于地理情况较为复杂的地区，如果采用光纤等有线方式铺设通讯线路会极大的提高投资成本，缺乏经济性。在这种情况下利用ZigBee网络架设电力无线专网来解决通讯问题，即克服了GPRS/GSM存在盲区的问题又节约了有线通讯所带来的巨大投资和工程实施的时间，很好的实现了资源优化配置，有效地提高了现场信息的采集能力。

对无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。无线传感器网络作为信息领域的一个全新的方向，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校(UC/Berkeley)和英特尔公司(Intel)联合成立的“智能尘埃(Smart Dust)’，实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统(Antonomous sensing and communication in a cubic millimeter)，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1998年开始到2001年结束，受到了美国国防预先研究计划局的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工作，如:NEST、BWRC等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它己经引起了世界许多国家的学术界、工业界和军事部门的极大关注。从2000年起，国际上开始出现了一些关于传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会年制定了无线传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感网络的新型计算发展规划”该计划将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。美国国防部和各军事部门也对无线传感器网络给予了高度重视，把它列为一个重要的研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。[I]一[3]

国内一些科研院所和高校开展了无线传感器网络理论和应用的研究，我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网路的研究。“传感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究”己被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国家“十五”科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目。对传感器网络系统信息获取与处理相关技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建设具有重要的战略意义。

ZigBee技术是刚刚发展起来的，为了满足低功耗、低成本的无线网络而诞生的，为了推动ZigBee技术的发展，Chipeon(己被Tl收购)与Ember、Freeseale、Motorola、philips、saxnsung等公司共同成立了ZigBee联盟，目前该联盟已经包含130多家会员。ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦半导体公司四大巨头公同宣布，他们将加盟“ZigBee联盟”，研发ZigBee的下一代无线通讯标准。这一事件成为该项技术在发展过程中的里程碑。到目前为止，除了英国Invensys公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦半导体

公司四大巨头公司外，该盟大约己有25家成员企业，并在迅速发展壮大，其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商和OEM商等。该联盟主席Robert.Halle曾于2004年11月亲自造访中国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。据市场研究机构预测，低功耗、低成本的ZigBee技术将在未来两年内得到快速增长，2005年全球ZigBee器件的出货量将达到100万个，2006年底将超过8000万个，2008年将超过 1.5亿个。这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee的快速发展可以说是有些令人始料不及。从2004年底标准确立，到2005年底相关芯片及终端设备总共卖出 1500亿美元，应该说比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi一Fi技术进展都要快。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，但己经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚的认识到，基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业成熟的发展。其中，ZigBee技术很多都是应用于现代无线传感器网络，这两者的结合给了其他技术的无线网络很大的冲击。

1.3本论文的主要工作

本论文结合对ZigBee标准的网络层、应用层的研究，设计符合实际应用要求的配变监测平台方案;将ZigBee通讯技术应用于变电站监测系统中，充分发挥这种全新通讯技术的优势特点，将低成本、高可靠性、大容量、高安全性的无线传输技术引入到配网终端通讯中，从而弥补现有GPRS/GSM通讯技术的不足。

本文的主要工作有两个：一是通过对ZigBee无线技术与当前其他的无线技术(gprs/gsm/cdma，wifi，bluetooth等)进行详细对比说明，突出ZigBee无线技术的特点更适合于面广、量大、实时信息有限的变电站监测系统中，二是利用 ZigBee 无线通信技术完成无线数据传输平台的硬件设计。

第二章 ZigBee协议

ZigBee 协议栈采用分层结构。每一层都为其上一层提供一套明确的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点为上层提供一个接口，每个服务接入点都支持一定数量的服务原语来实现所需功能。

2.1 ZigBee 协议栈构架

ZigBee 协议栈框架[4][5][11][12]是在标准的开放式系统互联(Open Systems Interconnection.OSI)七层参考模型的基础上，根据市场和应用的实际需要定义的，

如图 2-1 所示。

IEEE 802.15.4 标准定义了两个底层协议：物理层(Physical Layer.PHY)和媒体

接入控制子层(Medium Access Control Sublayer.MAC )。在此基础上，ZigBee 联盟定义了网

络层(Network Layer.NWK)和应用层(Application Layer. APL)架构。应用层包含应用支持子层(Application Support Sublayer.APS )、应用架构(Application Framework.AF )、ZigBee 设备对象(ZigBee Device Objects.ZDO)和厂商定义的应用对象。

2.2 物理层

IEEE 802.15.4 定义的物理层参考模型如图 2-2 所示。通过射频固件和射频硬件，物理层定义了 MAC 子层和物理信道间的接口，并提供两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务实现了物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit.PPDU)在物理信道上的发送和接收。在概念上，物理层含有一个管理实体，叫做物理层管理实体(PHY Layer Management Entity.PLME ) 。这个实体提供了物理层管理功能得以执行的一些接口，同时，还负责维护物理层的个域网信息库(PAN Information Base.PIB )。

物理层的两种服务分别通过两个接入点来实现：物理层数据服务接入点(PHY Data SAP.D-SAP)和物理层管理实体服务接入点(PLME-SAP )。PD-SAP 实现了通信双方 MAC 子层实体间媒体接入控制协议数据单元(MAC Protocol Data Unit.MPDU)的传输。PLME-SAP 则实现了媒体接入控制子层管理实体(MAC Layer Management Entity.MLME)和 PLME 间管理命令的传输。

根据 IEEE 802.15.4 定义，物理层主要实现如下功能： (1) 激活和关闭射频收发器；

(2) 当前信道能量检测(Energy Detect ED )；

(3) 为接收数据包提供链路质量指示(Link Quality Indication LQI)； (4) 为载波侦听多路访问免冲撞机制(Carrier Sensor Multiple Access with

Collision Avoidance CSMA-CA)和提供空闲信道评估(Clear Channel Assessment CCA )；

(5) 选择工作信道； (6) 发送和接收数据。

信道能量检测为网络层的信道选择算法提供依据，其取值范围 0x00-0xFF。

它是信道中接收信号功率强度的一个评估，并没有对信号进行鉴别和解码的能 力。

链路质量指示的测量为接收数据包提供了其信号强度和质量信息，取值范围

也是 0x00-0xFF。当进行信道能量检测或信噪比评估时，这一测量也会被执行， 其测量结果会交给 MAC 子层。

IEEE802.15.4 规定了三种空闲信道评估的方法：第一种，以信道能量检测为 依据，在设定了信道能量检测门限值的基础上，将当前检测值与门限值进行比较， 若检测值高于门限值，则认为信道处于被占用状态；第二种，载波侦听，只要侦 听到信道上有符合 IEEE 802.15.4 的信号在传输就认为信道处于被占用状态。第 三种则是前两种方法的综合。 2.2.1 工作频段和数据速率

如表 2-1 所示。802.15.4 总共定义了 3 个工作频带：2.4GHz， 915MHz和868MHz。每个频带提供固定的信道数量。2.4GHz提供了 16 个信道(信道 11 到26 )，915MHz频带提供了 10 个信道(信道 1 到 10)， 868MHz频带提供了一个信道(信道 0)[6][7][8][9][10]。

其中 2.4GHz 的频带的物理层采用高阶调制技术，能够提供最大 250kb/s 的传输速率，相对于其它频带来说，它有着更高的吞吐量，更小的工作时延和更短的工作周期，功耗也是最小。

915MHz是美国的ISM频段，868MHz是欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了 2.4G附近各种无线通讯设备的相互干扰，868MHz的传输速率是 20kb/s，915MHz的传输速率是 40kb/s，由于这两个频段上无线信号的传播损耗较小，因此可以降低接收机灵敏度的要求，获得较远的通讯距离，因而可以用较少的设备覆盖指定的区域[5]。

2.4GHz 波段为全球统一的无需申请的 ISM 频段，有助于 ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。

2.2.2 物理层帧 (PPDU) 格式

所有的工作频段都是用的相同 PPDU 格式，PPDU 报文数据由用于数据流同步的同步头(SHR)，含有帧长度信息的物理层报头(PHR)，以及承载有 MAC 帧数据的净荷组成。具体结构如表 2-2 。

同步头(SHR)的第一个字段是四个字节的前同步码，收发器在接收前同步码期间，会根据前同步码的特征完成片同步和符号同步。帧界定符来标识同步域的结束以及报文数据的开始，其值固定为 0xA7，下一个字节的低 7 位来表示该帧的帧长度，该值得大小就是该帧除了帧头和帧尾实际能够传输的物理层负载的长度，保留位之后就是物理层的实际负载(PSDU) 。 2.2.3 调制及扩频

图 2-3 描述了 2.4G 物理层调制及扩频功能模块。

2.4G 物理层将数据(PPDU)每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号(Symbol)，每种数据符号又被映射成 32 位伪随机噪声数据码片(Chip)。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术(O-QPSK)调制。对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。

2.3 媒介接入控制层(MAC 层)

2.3.1 MAC 层概述

图 2-4 给出了 IEEE 802.15.4 定义的 MAC 子层参考模型。MAC 子层定义了特定服务汇聚子层(Service Specific Convergence Sublayer.SSCS)和物理层之间的接口，同样提供两种服务：MAC 子层数据服务和 MAC 子层管理服务。MAC 层数据服务实现了媒体接入控制协议数据单元(MAC Protocol Data Unit， MPDU)在物理层数据服务上的发送和接收。MAC 子层同样在概念上包含一个管理实体，叫做 MLME。这个实体提供了 MAC 子层

管理功能得以执行的一些接口，同时，还负责维护 MAC 子层的 IB。

MAC 子层的两种服务也分别通过两个接入点实现：媒体接入控制公共部分子层数据服务接入点(MAC Common Part Sublayer Data SAP.MCPS-SAP)和媒体接入控制子层管理实体服务接入点(MLME-SAP )。MCPS-SAP 实现了通信双方SSCS 实体间特定服务汇聚子层协议数据单元(SSCS Protocol Data Unit.SPDU)的传输。MLME-SAP 则实现了 MLME 与上一层间的管理命令的传输。

根据 IEEE 802.15.4 标准，MAC 子层具有如下功能： (1) 让协调器产生网络信标； (2) 与信标同步；

(3) 支持 PAN 网络的关联(Association)和解除关联(Disassociation)操作； (4) 支持设备安全机制；

(5)使用 CSMA-CA 机制共享物理信道；

(6) 处理和维持保证时隙( Guaranteed Time Slot， GTS)机制； (7) 为两个对等的 MAC 实体提供可靠的链路。

关联操作是设备加入 ZigBee 网络的途径之一。在这一过程中，设备从协调器或路由器处获取网络基本参数和网内 16 位短地址。而当设备离开网络或进行网络切换时，就执行解除关联操作。 2.3.2 MAC 层帧结构

每个 MAC 层的帧都由帧头、帧尾和负载三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC 层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的 16 位 CRC 校验序列。如表 2-3 所示

在 MAC 层中，节点地址有两种格式：16 位(两个字节)的短地址和 64 位(8个字节)的扩展地址。16 位短地址是节点与网络协调者关联时，由协调者分配的网内局部地址；64 位扩展地址是全球唯一地址，在节点进入网络之前就分配好了。16 位短地址只能保证在一个局部网络内部是惟一的，所以在使用 16 位短地址通信时需要结合 16 位的网络标识符才有意义。两种地址类型的地址信息的长度是不同的，从而导致 MAC 帧头的长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中没有表示帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示 MAC 帧长度的字段，MAC 负载长度可以通过物理层帧长和 MAC 帧头的长度计算出来。

IEEE 802.15.4 网络共定义了四种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和 MAC命令帧。 (1) 信标帧

信标帧的负载数据单元由部分组成：超帧描述字段、GTS 分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。如表 2-4 所示

超帧描述字段：它规定了这个超帧的持续时间，活跃部分持续时间以及竞争访问时段持续时间等信息。

GTS 分配字段：将无竞争时段划分为若干个 GTS，并把每个 GTS 具体分配给了某个节点。

待转发数据目标地址字段：列出了与协调者保存的数据相对应的节点地址。

一个节点如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着协调者存有属于它的数据，所以它就会向协调者发出请求传送数据的 MAC 命令帧信标帧负载数据，上层协议提供数据传输接口。通常情况下，这个字段可以忽略。在信标不使能网络里，协调者在其他节点的请求下也会发送信标帧。此时信标帧的功能是辅助协调者向节点传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址字段有意义。

(2) 数据帧

数据帧用来传输上层发到 MAC 层的数据，它的负载字段包含了上层需要传送的数据。数据负载传送至 MAC 层时，被称为 MAC 服务数据单元。它的首尾被分别附加了 MHR 头信息和 MFR 尾信息后，就构成了 MAC 帧。如表 2-5 所示。

MAC 帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载 PSDU。PSDU 在物理层被“包装”，其首部增加了同步信息 SHR 和帧长度字段 PHR 字段。同步信息 SHR包括用于同步的前导码和 SFD 字段，它们都是固定值。帧长度字段的 PHR 标识了 MAC 帧的长度，为一个字节长而且只有其中的低 7 位有效位，所以 MAC 帧的长度不会超过 127 个字节。

(3) 确认帧 如果节点收到目的地址为其自身的数据帧或 MAC 命令帧，并且帧的控制信息字段的确认请求位被置 1，节点需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用 CSMA-CA 机制竞争信道。如表 2-6 所示。

(4) 命令帧

MAC 命令帧用于组建 PAN 网络，传输同步数据等。目前定义好的命令帧主要完成三方面的功能：把节点关联到 PAN 网络、与协调者交换数据、分配 GTS 。命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头的帧控制字段的帧类型为 011B （B 表示二进制数据）表示这是一个命令帧。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。如表 2-7 所示。

2.4网络层

2.4.1网络层结构及功能

图2-5是ZigBee协议提供的网络层参考模型。网络层为IEEE 802，15，4 MAC子层的正确操作提供保障，同时也为 ZigBee 协议应用层提供合适的服务接口。网络层提供了两个概念上的实体来作为应用层的接口：网络层数据实体(NWK Layer Data Entity.NLDE) 和网络层管理实体 (NWK Layer Management Entity NLME ) 。NLDE 通过其服务接入点，即 NLDE-SAP，提供数据传输服务。NLME则通过其服务接入点，即 NLME-SAP，提供管理服务。这两个实体间还存在一个隐藏的接口，使 NLME 能使用 NLDE 的数据传输服务来实现它的一些管理任务。此外，NLME 还负责维护网络信息库(Network Information Base.NIB ) 。

ZigBee 协议网络层通过必要的机制实现如下功能： (1) 加入和离开网络

(2) 对帧信息采取安全机制

(3) 路由帧信息到它们的目标地址 (4) 发现和维护设备间的路由

(5) 发现单跳邻居

(6) 存储相关的邻居信息 此外，ZigBee 协调器的网络层还必须具有发起一个新的 ZigBee 网络和为新加入的设备分配 16 位短地址的功能。表 2-8 为网络层通用帧格式

2.4.2网络层数据实体

NLDE 需要提供一种服务来允许应用程序在两个或多个设备间传输应用协议数据单

元，这些设备必须属于同一个网络。

NLDE 提供如下服务：

(1) 生成网络层协议数据单元(NWK Layer Protocol Data Unit.NPDU )：NLDE 必须有能力在应用支持子层协议数据单元(APS Protocol Data Unit.APDU)

的基础上，添加适当协议头来生成 NPDU。 (2) 拓扑结构的特定路由NLDE 必须有能力将 NPDU 传送给一个合适的设备，该设备是通信的最终目标设备或者是通向最终目标设备的通信链上的下一个节点。

(3) 安全

有能力保证传输的真实性和保密性。 2.4.3网络层管理实体

NLME 负责提供允许应用程序与协议栈互相作用的管理服务，具体如下： (1) 配置一个新的设备

有能力根据所要求的操作有效配置协议栈。配置选项包括成为 ZigBee 协调器的操作和加入现存网络的操作。

(2) 启动网络

具有建立新网络的能力。 (3) 加入和离开网络

具有加入或离开网络的能力，以及在作为 ZigBee 协调器或路由器时要求设 备离开网络的能力。

(4) 地址分配

使 ZigBee 协调器和路由器具有为加入网络的设备分配地址的能力。 (5) 邻居发现

具有发现、记录和报告设备单跳邻居信息的能力。 (6) 路由发现

具有发现和记录信息传输有效路径的能力。 (7) 接收控制

使设备具有激活接收器及其工作时间长度的能力和使能MAC子层同步和直接接收的能力。

2.5 应用层

根据图 2-1 ZigBee 协议栈框架，应用层由四部分组成：应用支持子层（APS )、应用架构(AF )、 ZigBee 设备对象(ZDO)和厂商定义的应用对象。 2.5.1应用支持子层结构及功能

应用支持子层的参考模型如图 2-6 所示。

应用支持子层通过一系列常规服务提供了网络层和应用层之间的接口。这些服务是通过应用支持子层数据实体(Application Support Sublayer Data Entity APSDE) 和应用支持子层管理实体 (Application Support Sublayer Management Entity APSME)来提供的，它们同时

也被 ZigBee 设备对象和生产商定义的应用对象使用。

APSDE 通过其服务接入点，即 APSDE-SAP，提供数据传输服务。这一服务实现了两个或多个网内设备间应用层协议数据单元的传输，包括群寻址信息的过滤。APSDE 同时也支持对超长数据包的拆分和重组，从而实现可靠的数据传输。APSME 也通过其服务接入点，即 APSME-SAP，来提供安全、设备绑定、建立和移除群地址等服务，同时负责维护应用支持子层信息库(Application Support Sublayer Information Base AIB )。AIB 支持 64 位 IEEE 地址与网络层 16 位地址间映射。

应用支持子层的功能如下：

(1) 维护绑定表，绑定是指根据服务需求将两个设备匹配工作的能力； (2) 在绑定设备间传送信息；

(3) 群地址定义，移除和过滤群寻址信息；

(4) 64 位 SEE 地址与网络层 16 位地址间的映射； (5) 拆分、重组数据包，确保可靠的数据传输。 表 2-9 为应用支持子层通用帧格式。

2.5.2应用架构

ZigBee 应用架构是 ZigBee 设备应用对象的工作环境。在应用架构内，应用对象间通过 APSDE-SAP 发送和接收数据。应用对象通过 ZigBee 设备对象公共接口来实现如下功能：

(1) 控制和管理 ZigBee 设备的协议层；

(2) 初始化标准的网络功能。

由 APSDE-SAP 提供的数据服务包括用于数据传输的请求、确认、响应和指示原语。请求原语支持在对等应用对象实体间的数据传输。确认原语报告请求原语所产生的结果。指示原语则用于指示从应用支持子层到目标应用对象实体的数据传输。

在一个 ZigBee 设备中最多可以定义 240 个不同的应用对象，它们分别对应终端 1-终端 240。此外，为了便于 APSDE-SAP 使用，还定义了两个终端：终端0，作为与 ZigBee 设备对象间的数据接口；终端 255，作为对所有应用对象的数据广播接口。终端 241-254 则是预留给将来使用的。 2.5.3ZigBee 设备对象

ZigBee 设备对象代表了一个基础功能类。这一功能类提供了应用对象、设备描述和应用支持子层间的接口。ZigBee 设备对象处在应用架构和应用支持子层之间，为应用架构内的应用对象提供了公共接口，这一公共接口在 ZigBee 协议栈应用架构内提供了设备地址管理、发现、绑定和安全等功能。在终端 0 上，ZigBee 设备对象是 ZigBee 协议栈低层部分的接口，通过 APSDE-SAP 和APSME-SAP 实现数据和控制信息的传输。

ZigBee 设备对象的主要功能如下：

(1) 初始化应用支持子层，网络层和安全服务提供者；

(2) 从终端应用收集各种配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理， 和绑定管理；

(3) 定义设备在网内的角色(如 ZigBee 协调器、路由或终端设备)； (4) 在网内发现设备并确定其提供的应用服务种类； (5) 初始化或响应绑定请求；

(6) 在网内设备间建立安全可靠的关系。

2.6 ZigBee技术与其他无线技术的比较

目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;各种短距离无线通信技术都在争取成为市场标准。 2.6.1蓝牙(BlueTooth）

蓝牙技术[13]-[14]由爱立信、东芝、IBM和英特尔五家公司于1998年提出。主要用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2000年做到使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。

蓝牙技术是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，它具有以下特点:

l)蓝牙系统使用 2.4GHzISM频段，无需申请频率许可证。

2)采用跳频扩谱技术搞干扰和衰落，并采用快跳频(跳频速率达1600跳/秒)、 3)短分组及快速等方法进一步干扰和衰落，提高传输的可靠性。

4)低功率、短距离。蓝牙额定输出功率odBm，传输距离 1ocm一10m，增大功率可达100m。

5)信息分组传输，同时支持话音和数据。 6)采用TDD全双工方式，基带协议采用电路交换和分组交换混合方式，组网方便灵活。 7)采用 FM调制方式，降低设备的复杂性和成本。

8)采用 1/3FEc、2/3FEC和ARQ等纠错方式改善误码性能。 9)从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好。 10)支持点到点及点到多点连接。

蓝牙技术具有强大数据通讯优势，用于抄表领域在技术上是完全可行的。目前市场上早已有蓝牙技术的抄表模块。但由蓝牙技术主要针对的是数据交换及语音信号传输，同其它专有的抄表技术相比，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点。 2.6.2、Wi-Fi(i IEEE802.11)

Wi一 Fi(WirelessFidelity，无线高保真)也是一种无线通信协议。iEEE8oZ.21[8]的最初规范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。目前， IEEE802.n标准还没有被工业界广泛接受。

IEEE802一流行的几个版本包括“a”(在5.SGHz波段带宽为54MBps)、“b”(波段2.4GHz带宽为11MBps)、“g”(波段2.4GHz带宽为22MBps)。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。Wi一Fi规定了协议的物理(PHY)层和媒体接入控制(MAC)层，并依赖TCP/IP作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价等，因此大多数便携Wi一Fi装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。 2.6.3IrDA

红外线数据协会 IrDA(Infrared DataAssoeiation)成立于1993年。IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA标准的无线设备传输速率已从1巧.2kbPs逐步发展到4MbPs、16MbPs。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备(如PDA、手机)上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。lrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。 2.6.4GPRS/CDMA

简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线传输网络，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。

综上，我们将UWB、BlueTeeth、Wi一FI和zigBee几种无线通讯的技术指标汇总成表，如表2-10所示。与其他几种无线通讯技术相比而，ZigBee具有低功耗、低价格、低数据传输速率、传输范围小和支持网络节点多的特点，适合用于具有以下特点的工控领域:

表2-10ZigBee与其它无线技术的比较表

通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术: l)设备成本很低，传输的数据量很小;

2)设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块; 3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池;

4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难;

5)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。

ZigBee协议是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。其主要应用于： 1)建筑自动化网络;

2)远程抄表(如:小区水、电、气表的集抄系统);

3)工业控制网络(如:生产机台之流程控制系统、无线仓库管理系统); 4)住宅安防系统(如:火警的感测和通知系统、门禁系统); 5)PC外设(如:无线网卡、无线鼠标、无线键盘); 6)信息家电(如:智能遥控器、智能空调系统)

第三章 基于ZigBee的变电站监控装置的硬件设计

通过介绍ZIGBEE技术在配变监测系统中应用的设计,完成基于ZigBee的变电站监控装置硬件部分设计，包括CPU选择、数据采集、数据处理、通讯模块、电源模块、人机接口等，用protel软件绘制装置的电气原理图。

3.1 无线控制部分

无线控制系统为监控装置的控制核心部分，它主要负责接收和存储采集部分所采集到的电能量数据，并且定时或实时地向网关无线传送，同时接收管理中心的控制命令并执行。它主要由无线收发控制芯片、天线及一些外围元件构成。

图3-1监控装置结构图

3.1.1 无线收发芯片 CC2430

目前在 ZigBee 联盟的各大芯片生产商 Chipcon、Freescale、Ember、Jennic、RadioPulse、OKI、Helicomm 等公司纷纷推出各自的 ZigBee 无线解决方案。这里选取了比较有代表性的几个芯片做比较 如表 3-1。

以既能达到设计要求又能简化设计为原则，通过比较发现，CC2430 是一颗真正的系

统芯片(SoC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并能满足以ZigBee 为基础的 2.4GHz ISM 波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效 8051控制器。

CC2430 芯片的主要特点如下[15]：

（1）CC2430 包含一个增强型工业标准的 8 位 8051 微控制器内核，运行时钟 32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准 8051 指令集的 CC2430 增强型 8051 内核，具有 8 倍的标准 8051 内核的性能。

（2）CC2430 包含一个 DMA 控制器。8k 字节静态 RAM，其中的 4k 字节是超低功耗 SRAM。32k、64k 或 128k 字节的片内 Flash 块提供在电路可编程非易失性存储器。

（3）CC2430 集成了 4 个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个 32MHz 晶体振荡器，一个 16MHz RC-振荡器，一个可选的 32.768kHz 晶体振荡器和一个可选的 32.768kHz RC 振荡器。

（4）CC2430 的尺寸只有 7×7mm 48-pin 的封装，采用具有内嵌闪存的0.18μm CMOS 标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。

（5）CC2430 也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128 位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。

（6）CC2430 中断控制器为总共 18 个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予 4 个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部 Flash 编程。I/O 控制器的职责是 21 个一般 I/O 口的灵活分配和可靠控制。 （7）CC2430 包括四个定时器：一个 16 位MAC定时器，为IEEE802.15.4 的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4 的MAC层提供定时。一个一般的 16位和两个 8 位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。

（8）CC2430 内集成的其他外设有：实时时钟；上电复位；8 通道，8-14 位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。

（9）为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430 集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4 MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括： 自动前导帧发生器 、 同步字插入/检测 、CRC-16 校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示(LQI)、CSMA/CA协处理器。

（10）低功耗，在休眠模式时仅 0.9 μA 的流耗，外部的中断或 RTC 能唤醒系统；在待机模式时少于 0.6μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统。

因此，我决定选用 CC2430 做本次的无线收发控制芯片。它既满足数据的无线收发，而且它的内部又集成了 51 的单片机，非常容易上手，而且省去了做一个 MCU 和 ZigBee 无线收发芯片硬件接口，使设计简化。 3.1.2 无线控制系统电路原理图

CC2430 的连接主要考虑晶振、天线和必要的阻抗元件的设计，由 CC2430构成的无线控制系统的电路原理图如图 3-2所示。

图3-2 CC2430构成的无线控制系统的电路原理图

3.2 电能量采集部分

采集部分采用专用计量电路实现电能采集。目前全电子式多功能电能表所采用的主要计量芯片主要有 ADE7758、ATT7022B、ADE7757、MSP430FE427 和CS5463A。ADE7758 和 ATT7022B 是三相电能采集专用芯片，ADE7757、MSP430FE427 以及 CS5463A 是单相电能采集芯片，采用两片可以实现三相三线电能采集，三片可以实现三相四线电能采集。

从当前的情况看，ADI 公司的电能专用计量芯片已经成为主流。到目前为止，全球已经有 1.2 亿多块电能表采用了 ADI 的 ADE 解决方案。在国内，1999 年到2002 年间就配置了 6 千万块单相电子式电能表。

ADE7757 是一种体积小巧、动态范围可达 1000:1 的新型电能测量集成电路，该 IC 内嵌了高精度的模数转换器，具有数字积分、数字滤波和具有众多实用电能监控、计量功能，是新一代高性能全数字电能表的理想芯片。因此，本文设计的智能电能表采用 ADE7757 作为电能量的采集芯片。 3.2.1 ADE7757

ADE7757 是美国ADI（模拟器件公司）2003 年 5 月推出的、高精度专用电能测量IC芯片[16]。片内集成了 1 个可编程增益放大器、2 个 16 位二阶∑- △ ADC转换器、数字积分器、数字滤波器、参考电路和温度传感器等组件。

ADE7757 的芯片特性如下：

（1）高精度，其技术指标超过了 IEC 1036 规定的准确度要求。 （2）适用单相二线模式。

（3）在输入动态工作范围（1000:1）内，非线性测量误差小于 0.1%。 （4）可测量有功功率、无功功率以及视在功率。

（5）提供两个脉冲输出，其中一个是有功功率瞬时脉冲输出，另外一个是有功功率平均值脉冲输出。

（6）提供正向和反向有功／无功电能数据。 （7）片内带有振动器，可作为时钟源。

（8）逻辑输出引脚 REVP 可用于指示可能的接线错误或负功率。 （9）提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于 0.5%。 （10）内置温度测量传感器。

（11）设有电源监控电路。

（12）采用专用模数转换器和数字信号处理器（DSP），因此在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。

（13）片内带有防潜动功能。

（14）具有中断请求接口，方便与外部 MCU 通讯。 （15）单+5V 供电、低功耗（典型值 15mW）。

ADE7757 内部主要由电源监控管理、内部振动器、2 路∑- △ A/D 和 DSP 数字信号处理器、温度传感器、参考电压和数／频转换器等几部分组成。ADE7757的功能框图如图 3-3所示：

图3-3 ADE7757的结构框图

图 3-3中，两个 ADC 对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶∑-△模数转换器，采样速率可达 900kHz。ADE7757 的模拟输入结果具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可以与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的 PGA 进一步简化了传感器接口。电流通道中的 HPE 滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。

3.2.2 电路原理图

根据 ADE7757 采集电能的原理，设计如图 3-4所示的低成本、微功耗的电能采集电路。图中只画出了电流与电压通道的模拟输入和 ADE7757 与微控制器的接口部分。

图3-4电能采集电路原理图

图中，电流互感器（CT）送来的电流信号，经过电容 C7、C8 滤波后送入V1 通道。电压互感器送来的 U_IN 电压信号，经过电阻送入 V2 通道。ADE7757内置的乘法器将电压和电流相乘，得到有功功率。有功功率信号通过数字—频率转换器，随时间被积分（累加），进而产生输出频率。ADE7757 的频率输出端CF 连接到 MCU 的 P2-0 端口，MCU 在内部定时器设定的积分时间内对 CF 输出的脉冲计数，并根据脉冲频率和有功功率之间的比例关系得到用户的用电量。

3.3 液晶显示部分

液晶显示器由于具有显示零辐射、低耗能、发热小、纤薄轻巧、画面稳定不闪烁、屏幕调节方便等优点，得到了广泛的应用。液晶显示器作为人机界面，可以为用户提供友好的界面。电能表显示部分可以将 CC2430 处理后的用电量显示出来，便于用户和供电部门的查看。

目前使用的大部分LCD都采用并行接口方式，但在某些场合下（如在GPIO口比较少时），并行接口的使用受到限制，因此本设计中采用一种具有串行／并行多种接口方式的LCD模块KM12864-12，其内部含有国标一级、二级简体中文字库。使用该模块可构成具有全中文人机交互图形和文字界面的液晶显示系统，并且简单的串行接口，可降低程序编写的难度[17]。

3.3.1 KM12864-12 特性与接口方式

(1) KM12864-12 特性

KM12864-12 模块共有 20 个引脚[17]，如表 3-2 所示。其中第 7~14 引脚对应于DB0~7，为并行数据传送引脚，由于采用串行接口，因而没列出。

KM12864-12 汉字图形点阵液晶显示模块可显示汉字、图形、ASCII 码和自定义字形，内置 8192 个 16×16 的中文汉字、128 个 8×16 字符以及 64×256 点阵显示 RAM。控制器为台湾矽创电子公司的 ST7920，具有串／并接口方式，其内部含有中文字库。KM12864-12 液晶显示屏为 128×64 点阵，可显示 4 行、每行 8个汉字，外形尺寸为 93×70×12.5（mm），视域尺寸为 72×40（mm）。

另外，模块内有多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、反白、清除、关闭显示和睡眠模式等，可方便地对模块进行控制。为了便于多种微处理器的接口设计，模块提供了 2 线串行、3 线串行、4 位并行、8 位并行多种接口方式。模块内置升压电路，无需负压，配置LED背光。3V低电平工作时，只需一个 20k 的电阻与V0的地相接。KM12864-12 适用于常见的 3.3V~5.5V宽范围工作电压的系统。

(2) 2 线或 3 线串行接口方式

当KM12864-12 模块的PSB脚接低电平时，模块即进入串行接口模式。串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据，即构成 2 线串行模式[18]。

M12864-12 模块还允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。此时，需利用片选端“CS”构成 3 线串行接口方式。当“CS”接底电平时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“CS”可连接固定的低电平。

使用 KM12864-12 的 3 线串行接口方式，可大大简化液晶显示模块与单片机之间的接口设计，也使显示变得极为容易，从而改变过去单片机系统人机界面不够友好的弊端。

3.3.2 显示部分电路原理图

CC2430 和KM12864-12 模块之间的串行接口电路只需要 2 线（即“CS”接+5V，LCD模块始终选通），如图 3-6所示。图中，LED_A为正背光源，一般接+5V；LED_K为负背光源，接地。PSB为LCD模块串行或并行接口选择，接地为串行接口工作方式。V0为LCD驱动电压输入端：VDD为+5V时不用接；VDD不为+5V时，通过 20k 的电阻与地相接。SID为串行数据输入端，通过CC2430 的P0-0 控制。CLK串行模拟时钟信号输入端，通过CC2430 的P0-1 控制。

图3-5CC2430和KM12864-12模块之间的串行接口电路

第四章 ZigBee 无线网络的实现

4.1 ZigBee 网络配置

4.1.1设备功能类型

按照功能的完整性，IEEE 802.15.4 定义了两种设备：全功能设( Full-Function Device.FFD)和简化功能设备(Reduced-Function Device.RFD ) 。

全功能设备可以工作在三种模式中：个域网协调器(Personal Area Network Coordinator.PAN Coordinator )、协调器(Coordinator)和设备(Device )。全功能设备可以与简化功能设备或者其它全功能设备通信，而简化功能设备只能和全功能设备通信。

简化功能设备是为非常简单的应用而设计的，它们都不需要发送大量的数据，并且一次都只能关联一个全功能设备。因此，简化功能设备只需消耗很少的资源和存储开销。

ZigBee 标 准 在 此 基 础 上 定 义 了 三 种 设 备 ： ZigBee 协 调 器 (ZigBee Coordinator)、ZigBee 路由器(ZigBee Router)、ZigBee 终端设备(ZigBee End Device )。

ZigBee 协调器，即 IEEE 802.15.4 定义的个域网协调器，可以看作是一个无线传感器网络的汇聚节点，是网络建立的起点，负责 ZigBee 网络的初始化，确定个域网标识符(PAN Identifier)和网络工作的物理信道，并统筹短地址的分配。ZigBee 协调器必须是全功能设备，并且一个 ZigBee 网络只有一个 ZigBee 协调器。

ZigBee 路由器是一个全功能设备，类似于 IEEE802.15.4 定义的协调器，在接入网路后，它能获得一定的 16 位短地址空间。在其通信范围内，它能允许其他节点加入或者离开网络，分配及收回短地址，路由和转发数据。

ZigBee 终端设备，即可以是全功能设备也可以是简化功能设备，它只能与其父节点通信，从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。 4.1.2ZigBee 拓扑结构

IEEE 802.15.4 和 ZigBee 协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构(Star)，网状结构(Mesh)和簇树结构(Cluster Tree)，如图 4-1 所示。

星型网络由一个 ZigBee 协调器和多个终端设备组成，只存在 ZigBee 协调器与终端设备的通讯，终端间的通讯都需通过 ZigBee 协调器的转发。

簇树网络由一个协调器和一个或多个星型结构连接而成，终端设备只能与自己的父节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过簇树路由完成消息传输。

网状网络是簇树网络基础上实现的，与簇树网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连，由路由节点中的路由表配合实现消息的网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。

4.1.3工作模式

ZigBee 网络的工作模式可以分为信标(Beacon)和非信标(Non-beacon)两种模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由节点必须长期处于工作状态。

信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在 15ms－4mins 之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有 16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee 标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有父节点需为自己的终端子节点缓存数据帧，所有终端子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要 15ms。

4.2 通信原语

在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点(SAP)相连接的。应用层(APL)、网络层(NWK)与媒体接入控制层(MAC)都可以通过本层与下一层的SAP 调用下层所提供的服务，同时通过与上层的 SAP 为上层提供相应服务。SAP是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语(primitive)的形式供上层调用的。在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要去了解如何处理原语。

原语分为四种[27]，它们之间的关系如图 4-2 所示： Request:请求原语，用于上层向本层请求指定的服务。 Confirm:确认原语，用于本层响应上层发出的请求原语。

Indication:指示原语，由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件，这个事件可能与远端某个通信实体的请求原语逻辑相关。

Response:响应原语，用于上层响应本层发出的指示原语。

本文中原语遵循了“SAP 名称－原语功能，原语类型”的书写规则，如:\"MLME-ASSOCIATE，request”表示 MLME-SAP 上提供的关联请求原语。

4.3 开发平台及开发环境

4.3.1 开发平台

在第三章中，通过对不同公司的 ZigBee SoC 芯片参数综合比较，本文选择了 TI 公司的 CC2430 芯片作为本文中无线收发芯片，它将 MAC 层与 PHY 层集成在一起，MAC 固化在收发器中。同时，TI 公司也推出了配合 CC2430 芯片的一组开发系列套件，能够更好的发挥 CC2430 芯片的功能。因此，本文选择了TI 公司 CC2430 开发套件的国内复制版—深圳金图旭昂有限公司的 TSZ-CC2430开发系统作为开发平台。

TSZ-CC2430 开发系统是经济高效的和可重复使用的开发平台，完全满足IEEE802.15.4-2006 标准和 ZigBee 2006 技术标准的无线网络技术设计开发，该平台包含了构建多种 ZigBee 无线网络所需的全部硬件、软件专业开发工具、文档和各种展示表演软件。可以通过 USB 接口直接连接到电脑，并连到 TSZ-CC2430无线 SoC 模块及目标板，具有代码高速下载、在线调试 DEBUG、硬件断点、单步变量观察、寄存器观察等全部 C51 源水平调试的功能，实现对 TSZ-CC2430系列无线单片机实时在线调试和测试。TSZ-CC2430 开发系统采用符合 ZigBee/802.15.4-2006 规范的协议，它可支持著名的 IAR7.20 以上的集成开发环境。 4.3.2 开发环境

目前，为了使 ZigBee 网络平台更加完善，各芯片开发商也致力于 ZigBee 协议栈的开发，包括 TI、 FreeScale、 Microchip 等公司都开发了针对各自平台的协议栈。然而，由于商业考虑，这些公司的协议栈虽然功能强大，但是程序复杂，理解起来比较困难。本方案选择移植美国密西西比大学的精简 ZigBee 协议栈，借用其 PHY 层和 MAC 层，对

ZigBee 协议的网络层和应用层进行改进和开发。此精简协议栈的优点在于，它是针对学生学习和开发而设计的，功能简单，易学易用，并且具有良好的可扩展性。此协议栈支持 CC2430、CC2420 芯片，是借鉴 Microchip ZigBee 协议栈所设计的，有较高的可靠性。

在各功能节点的协议栈程序设计时，协议栈采用统一编写的方式，用宏定义语句:#def， #ifdef， #else 语句区别各功能节点在各协议层中的操作，这样的编写方式将协议栈看作统一的整体，方便移植。同时，所使用的 IAR 集成开发环境也支持这种协议架构。程序下载过程中，只需在开发环境配置中选择好要下载的节点功能是协调器、路由节点还是终端节点，就可以将节点功能所对应的程序载入硬件平台中。

第五章 总结与展望

5.1 总结

ZigBee 作为最近新出现的无线通信技术，以其协议简单、成本低、功能小、组网容易等特点，在智能家居、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。也是目前最适合应用于变电站监控的短距离无线通信技术。

本文基于 ZigBee 无线数据采集系统项目，深入研究了 ZigBee 相关技术在变电站监控装置中的应用。针对要求设计合理的硬件模块，在软件的实现和设计上，主要利用 TI 公司 CC2430 开发套件的国内复制版—深圳金图旭昂有限公司的TSZ-CC2430 开发系统作为开发平台，实现星型网络和簇树型网络的组建。

5.2 展望

由于研究时间和力量有限，本文的研究工作仅限于在 TSZ-CC2430 开发平台上实现了小型的星型网络和簇树型网络的组件，以及在组建的网络中实现数据的无线通信，具体的工作将大致分为以下几部分：

1、组建一个较大规模的簇树型网络平台。

2、以使网络内节点消耗能量均衡为依据来选择路由节点，路由节点之间以及路由节点与网络协调器之间采用多跳接力的方式以减少网络能量的消耗。

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致 谢

在论文完成之际，特别向我的导师董海波教授致以最诚挚的感谢。张老师严谨认真的治学态度、科学高效的工作方法、严以律己的生活作风给了我极大的影响；董老师因材施教的教导方式和无微不至的关怀给了我巨大的帮助；董老师对我的信任和鼓励鞭策着我奋发向上努力进取。在此，再次衷心的感谢近几个月董老师对我的关心和指导。学生所取得的点点滴滴的进步，无不凝聚着导师的辛劳与心血，从董老师身上学到的，是我一生受用不尽的宝贵财富。

同时董海波老师悉心指导我完成了课题中实验工作，对实验的设计和方法提出了宝贵意见，并对在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向董老师表示衷心的谢意。

最后，感谢信电学院全体导师这四年来的辛勤培养和教诲，感谢所有同学和朋友给予我的关怀和帮助，同时也感谢我的家人对我的关怀和支持!