基于zigbee的无线传感器网络在变电站中的应用

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1、万方数据·方案设计·嘭￡易t铂2008年第27卷第9期基于ZigBee的无线传感器网络在变电站中的应用孙军朱小平方彦军(武汉大学动机学院自动化系430072)摘要随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络受到广泛关注。在介绍了ZigBee技术和IEEE802．15．4标准的基础上，分析了ZigBee协议和网络拓扑结构；并以Atmegal28+CC2420设计了一种变电站通用的ZigBee节点；最后给出了一种变电站综合自动化系统中的无线传感器网络应用方案。关键词ZigBeeIEEE802．15．4交电站1引言变电站综合自动化

2、是利用微机技术，将变电站的二次设备(包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等)进行功能组合和优化设计，实现对变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及调度通信等综合性的自动化功能⋯。目前我国每年投入电网运行的数百座新建变电站均采用了综合自动化系统，同时，每年还有一定数量的老变电站的技术改造也以综合自动化系统模式为主。然而，现有的变电站综合自动化系统都是通过有线的网络进行信号的采集、传输和发送。且变电站设备杂多、信号繁多，这给综合布线及检查维修带来了不便，工程量大，维护费用高。无线传感器网络综合了传感器技术、遥测遥控

3、技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，通过无线感知节点实时采集各种信息，对信息进行处理，通过网络传送到控制中心[21。将无线网络技术应用于各种网络系统中亦已成为势不可挡的趋势，无线网络不仅可以提供更大的灵活性、流动性，还可省去花在综合布线上的费用和精力，这无疑更符合未来网络的通信特点。2ZigBee2．1ZigBee简介ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数国家自然科学基金项目(60772107)。据速率及低成本¨。。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以I

4、EEE802．15．4协议为基础，使用全球免费频段进行通信，且能够在三个不同的频段上通信"J，分别是全球的2．4GHzISM频段、欧洲的868MHz频段，以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、10、1个，传输速率分别为250Kbit／s、20Kbit／s和40Kbit／s，通信距离的理论值为10—75m。IEEE802．15．4是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork，PAN)工作组的一项标准，被称做IEEE802．15．4(Zig-bee)技术标准H’。Zigbee不仅只是802．15．4的名字，IEEE仅处

5、理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4KB或者作为Hub或路由器的协调器的32KB。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器就可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。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他节点获得。2．2ZigBee协议层和网络结构ZigBee协议层共包括物理层(又称实体层)、MAC层、数据链接层、网络层和应用支持层五个主要层次"1(见图1)。在标准制定的分工上，Zig

6、Bee协议层是由ZigBee联盟和IEEES02．15．4的任务小组共同完成的。其中，物理层、MAC层和数据链接层以及传输过程中的资料加密机制等都是由IEEE主导。网络层和应用支持层则由ZigBee联盟来完成。IEEE802．15．4小组与ZigBee联盟共同一4，一万方数据嘭￡石闻2008年第27卷第9期基于ZigBee的无线传感器网络在变电站中的应用针对ZigBee协议栈的发展进行研究，而未来还能依据系统客户的要求来修正其所需的应用界面。医ZZ巫匿弦物]厘一㈡网络层数据连接层l＼[二二亘亟二二]ll哿匪蕊§还亟§圆I皿'区鋈§惑亟§§圆／J／匠圃匡亟困圆

7、图1Zigbee协议架构ZigBee协议的无线网络可以有多种构造类型，在所有的网络构造中，至少有两个重要的组成部分t协调器节点和终端设备。ZigBee协议协调器是一种特殊的全功能设备(FFD)，它可以完成Zig．Bee协议所设置的大量服务：而终端设备可能是FFD，也可能是RFD。RFD是一个小的、简单的ZigBee协议节点。它仅仅可以实现ZigBee协议所提供服务中的最小部分。网络中可选用ZigBee协议路由器。图2所示的是星形网络、网形网络和簇一树形网络。星形o(zR‘FgDBceor终FF端D)ozig(BF。F。D路)由●zigB∞(F协FD调)设备V

8、V’—，图2ZigBee网络拓扑结构2．3基于Zig