基于ZigBee技術的電壓采集系統的設計與實現

楊芬群，楊前軍

(溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州325035)

智能電網是世界電網發展的新趨勢，國內外均給予了極大關注，這給用戶端低壓電器提供了一次很好的發展機遇[1]。智能化低壓電器在應用中常需要進行電壓的采集并實現實時監測，利用有線網絡實現電壓采集時，存在布線困難等缺點，尤其是在一些原本電線就較多較為復雜的電器中，這種缺點帶來的布線困難不言而喻。隨著射頻技術的發展，無線通信的應用越來越廣泛，其中，ZigBee無線技術被應用于農業、家居等領域，獲得了較好的效果。利用ZigBee技術實現智能低壓電器的電壓采集，系統接線簡單，相對于傳統的布線節省了成本，修改檢測節點方便，并且檢測節點具備通用性，便于改變檢測設備和檢測位置。

1 電壓采集系統的介紹

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是無線傳感網絡 （WSN）的一種實現，是一種短距離、低速率無線網絡技術，使用全球通用頻段 2.4 GHz，數據傳輸速率為 10 kb/s～250 kb/s，其工作基礎是IEEE802.15.4[2]。同樣基于該標準的WSN協議還有6LoW-PAN、ISA100、RF4CE等。與這些技術相比，ZigBee技術更簡單、實現成本更低，其主要特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本，適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備[3]。

目前ZigBee的解決方案主要有兩種，一種是單片機加上ZigBee射頻芯片的組合解決方案，另一種是片上系統SoC（System on Chip）單芯片解決方案。前者能夠靈活搭配，后者可以節省整個系統的成本，提高系統的性能。

1.2 電壓采集系統的組成

系統包含兩類節點：傳感器節點（路由設備/終端設備）和匯聚節點（協調器）。前者按照需要安裝在指定的位置，負責采集數據并進行預處理，同時還能實現路由功能，轉發其他節點的數據包；后者負責網絡的建立以及維護，并接收傳感器節點發送來的數據包，進行相應處理后通過串口傳送給終端并顯示。通過終端，用戶可以看見每個節點當前采集到的電壓數據。整個系統的結構如圖1所示，監測區域內布置了一定數量的具有Zig-Bee無線通信功能的傳感器節點，這些節點通過自組織方式構成無線網絡，通過多跳中繼方式將采集到的數據傳給匯聚節點，匯聚節點通過串口與終端相連，在終端上顯示采集的數據。

2 硬件設計

傳感器節點是整個系統的基本單元，硬件選用SoC單芯片解決方案實現ZigBee通信。系統采用的控制芯片是 STM32W108[4]無線射頻單片機，該芯片是基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器(MCU)與無線射頻結合的SoC，內部既有一般MCU的通用資源和外設，也有特殊的射頻模塊。由于無線射頻的特殊性，本系統未進行專門的STM32W 108硬件設計和2.4 GHz天線設計，而是直接采用上海慶科信息技術有限公司推出的STM32W108應用模塊 EMZ3118[5]，如圖2所示，該模塊帶外部射頻功率放大器(PA)，最大輸出功率為 20 dBm(100 mW)，接收靈敏度為-103 dBm，工作電流分別為190 mA(發射)、41 mA(接 收)、0.82 μA(休 眠)。 采 用 EMZ3118 模塊直接進行開發，有利于節約成本與時間。

圖1 電壓采集系統結構圖

圖2 STM32W108應用模塊EMZ3118

2.1 節點控制電路

從硬件角度看，傳感器節點與匯聚節點控制部分的電路相同，如圖3所示。電路包括EMZ3118模塊、晶振電路、按鍵電路（RST為強制復位按鍵，S1為允許/加入網絡按鍵）、LED電路及JTAG電路等。其中ADC為模數轉換器接口，RXD、TXD為串口通信發送接收端口。

2.2 傳感器節點干電池電路與信號采集電路

傳感器節點由兩節5號干電池供電，節點還包括電壓采集電路，如圖4所示。

STM32W108單片機的ADC單端輸入范圍最大為0～+VDD_PADS（供電電壓）。芯片的供電電壓為2.1 V～3.6 V，實際采用兩節5號干電池供電。為了保護ADC端口，本設計限制ADC端口輸入為0～2.1 V。

圖3 節點控制電路原理圖

圖4 干電池電路與電壓采集電路

采集電壓時，利用電阻分壓進行衰減，使得ADC的輸入電壓在0～2.1 V，同時使用鉗位二極管進行保護。這里取 R1為 9 kΩ，R2為 1 kΩ，INPUT端輸入電壓限制為 0～21 V。

2.3 匯聚節點USB轉串口電路與3.3 V穩壓電路

匯聚節點主要任務之一是收集傳感器節點采集的數據，在測試期間必須處于正常工作狀態，其中一個必要的保證就是電源。由于本設計中匯聚節點通過miniUSB接口與終端機相連，故匯聚節點直接從USB端口取電(5 V電壓經3.3 V穩壓后給單片機供電)，這樣就從電源方面保證了匯聚節點的正常工作。匯聚節點利用USB轉串口芯片FT232R實現與終端機的通信，如圖5所示。

圖5 USB轉串口電路與3.3 V穩壓電路

3 軟件設計

傳感器節點與匯聚節點的交互過程如圖6所示，程序設定匯聚節點每隔60 s發送一次廣播尋找新的節點，傳感器節點加入網絡后每隔20 s給匯聚節點發送一次采集的數據。一旦3次沒有正常發送/接收數據，傳感器節點會自動斷開并尋找新的匯聚節點，并在地址表中刪除該節點的信息。

兩種節點的主函數流程圖相似，如圖7所示。

其中，初始化包括硬件初始化、協議棧初始化、初始化是否完成的判斷以及打印啟動信息等；emberTick()是協議棧的一部分，需要周期性被調用；傳感器節點和匯聚節點的applicationTick()函數流程圖如圖8所示，傳感器節點的數據發送在applicationTick()函數中處理，而匯聚節點接收數據在emberIncomingMessageHandler()中處理，該函數被emberTick()調用。

4 測試結果

在實驗室常溫狀態下，對0～21 V的直流電壓的采集進行了測試，測試結果如表1所示（MY65數字萬用表測得1 kΩ電阻與9 kΩ電阻實際值為0.986 9 kΩ和9.136 kΩ，軟件編程計算參數以該數據為準），表中實際值為萬用表測得的結果，顯示值為終端上顯示的數據。

表1 電壓采集系統0～21 V測試結果

從表1中可以看出，電壓采集的誤差較小，誤差主要產生在ADC采樣和軟件計算的過程中。同在常溫下，針對12 V電壓，對系統測試60 h，表2為部分測試數據。

表2 電壓采集系統12 V/60 h測試結果

從表2可以看出，傳感器節點采集12 V電壓經無線傳送給匯聚節點，經60 h測試，誤差較小，系統較為穩定。

基于ZigBee技術的電壓采集系統中傳感器各節點自組織形成無線網絡，通過STM32W無線射頻ZigBee單片機將采集的電壓數據發送給匯聚節點。實驗證明，數據誤差較小，較為穩定，可移植性強，實現了ZigBee技術在電壓采集中的應用。但是本系統測試在實驗室進行，僅對0～21 V直流電壓進行測試，如果在實際中應用，電壓采集部分還需要重新設計以適應更多場合，另外，其穩定性、可靠性還需要進行更加全面的測試。

[1]尹天文，張揚，柴熠.智能電網為低壓電器發展帶來新機遇[J].低壓電器，2010(2)：1-4.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4]STMicroelectronics.STM32W108HB STM32W108CB DataSheet[S].http：//www.st.com/mcu，2010.

[5]EMZ3XX8可編程模塊數據手冊V2[S].http://www.mxchip.com/，2011.