基于ZigBee的電源監控技術

郭成寶

摘 要：現有的通信系統（GSM/CDMA）因為使用便捷，而在電源監控領域中得到了廣泛的推廣和使用，但是，由于建設移動通信基站系統費用昂貴，而且它的信號只能覆蓋在用戶較集中的地方，造成許多偏僻、人煙稀少但又需要進行電源監控的站點沒法覆蓋到，這勢必導致監控方式受限。為此，文中提出了一種基于ZigBee技術的電源監控方法。該方法采用ZigBee無線傳感網絡監控，是一種新興的低功耗、低復雜度、低數據速率、低成本、小體積、近距離且使用簡單的無線技術，它基于IEEE 802.15.4 收發器技術與入 ZigBee 協議棧的組合，可在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。而且傳感器的功耗非常低，可以用接力的方式把數據從一個傳感器傳到下一個傳感器，因此，這種監控方式高效且實時性強。

關鍵詞：通信系統；電源監控；ZigBee技術；IEEE802.15.4協議

中圖分類號：TN86；TP277 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0025-02

0 引 言

《通信電源和空調集中監控系統技術要求》中明確規定：監控系統在結構部署上是一個多級的分布式計算機監控網絡，一般可分為三級，即監控中心（SC-Supervision Center）、監控站（SS-Supervision Station）、監控單元（SU- Supervision Unit）。其中SC和SS監控主機為PC機，SU由單片機或監控模塊組成。SU有一套設備和環境參量采集器；當警告發生時，SU將信號通過TCP/IP協議發往SC，SC系統通過軟件對該信號進行處理，輸出相應信息，控制相應動作，同時生成各種統計圖表和資料。其監控系統結構如圖1所示。

圖1 通信電源監控系統結構

通信電源監控系統要求能夠對分布在系統的重要設備，包括通信電源、機房空調以及環境設備等都能夠進行遙測（YC）、遙信（YX）、遙控（YK）和遙調（YT），達到遙視（YS）目的，既能實時監視和顯示其運行參數，又可以自動監測和處理系統內所有設備故障。這種自動化、智能化的管理，可以提高工作效率，實現少人或無人職守，達到降低成本的目的，整個系統在給操作人員提供一個可視化操作環境同時、更能讓他感覺友好和方便。

1 傳統的監控通信系統

根據圖1可以了解到，整個電源監控系統組織結構基本上是由各監控站組成，每一個監控站又由多個監控單元組成，包括UPS電源、空調、油機等多種分散設施組成。能否及時掌握整個監控單元的各種設施的工作狀態及采出的數據（主要有溫度、電壓、電流、壓力等），并對它們進行科學的分析，然后及時地將生產調度指令，反饋到監控現場，就直接關系到整個監控系統的可靠性和準確性。

現有的移動通信系統（GSM/CDMA），由于使用簡單方便，已在電源監控以及其它各種工業的低數據率監控領域中廣泛被采用，在實際中也解決了大量的問題。 然而，由于移動通信它屬于固定成本很高、邊際成本很低的服務行業這個性質，用戶在實際應用中，都普遍存在如下問題：建設移動通信基站費用非常昂貴，而且信號只能覆蓋在用戶比較密集的地方，如城市、學校、工礦點以及比較密集的居民點等，而許多地段偏遠荒涼或人煙稀少的地方卻無法覆蓋到，輕則僅是一些個別孤立點，嚴重時會形成一整片，或一整段，形成盲區。解決這些盲點或盲區和現有移動網的通信連接問題，如果采用傳統的點對點的方式來與現有網絡相連，則每一個盲點，都需要一對無線收發設備才能與移動網相連，這勢必會增加系統設備安裝和運營維修費用。如何運用先進技術，實現電源維護監控的信息化、自動化，已經成為電信部門日常維護設備、減少停機時間、提高工作效率的必由之路。

2 采用ZigBee技術的電源監控

作為一種新興的ZigBee技術，使用IEEE 802.15.4協議規范作為介質訪問層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE 802.15.4總共定義了3個頻帶：2.4 GHz、915 MHz和868MHz。每個頻帶提供穩定數量的信道。與藍牙、Wi-Fi等技術相比，更適合低速率、短距離并且對成本、安全性、動態組網和功耗有特殊要求的節點之間的無線通信。

本文設計的基于ZigBee技術的電源監控系統技術工作于（2.4～2.48 Ghz）ISM免費頻段，具有16個擴頻通信信道， 傳輸速率為250 KB，具有數據中轉功能、抗干擾力強、網絡容量大、自動動態組圖、自由路由等特點。

覆蓋范圍近則幾十米，遠則能達幾公里的效果。而且在非工作模式，ZigBee節點處于休眠狀態，耗電僅1 uW， 非常省電。對那些需要覆蓋距離短的監控站點，工作模式耗電為30 mW。在使用頻率不是很高的場景中，通常兩節普通干電池使用壽命可達一年以上。采用新的無線通信技術，并借助程序軟件，能把多達65 535個電源監控站相互動態組網聯接起來，進行信號傳輸。每個監控站在整個動態網中作為一個網絡節點存在，擁有相應的網絡地址，起到數據的收發和中轉作用。整個網絡可以通過網絡中的任何節點，連接于外面的網絡系統；并且遵循現有的各種標準通信協議標準。系統安全性非常高，硬件設施支持CRC 和 AES-128，與一般的移動通信網絡不同的是，網絡中任何節點就都可以看成一個簡單的小基站，節點之間可以直接相互通信。節點設備可以隨意地加入和退出，是一種自組織和動態配置的組網方式。借助網管軟件，能夠對整個網絡中的任一基站（節點）進行實時監控。當需要傳輸大負荷的數據時，可以采取增加一些高速率的數據出口節點方式， 組成一種復合網絡結構，來減輕整個網絡的數據流量；同時還可采取如適當增加節點自身的內存、加大每個節點本身的信號處理能力以及設立適當的網絡卸載等措施來減少網絡負荷。

ZigBee與其他無線通信方式的對比如表1所列。

3 采用ZigBee監控技術的特性

ZigBee技術的特性包括以下幾個方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于數據低速率傳輸場景；

（2）低功耗：其工作功耗遠小于Wi-Fi的工作功耗，休眠狀態，耗電僅1 uW， 非常省電；

（3）低成本：因為ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且ZigBee 協議免收專利費。

（4）抗干擾性強：在低信噪比的環境下，ZigBee具有很強的抗干擾性能；在相同的環境中，ZiBbee抗干擾性能遠遠好于藍牙和Wi-Fi；

（5）網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持65535個設備；

（6）時延短：一般時延都在15 ms至30 ms之間；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供設備之間的安全連接；

（8）有效范圍靈活、布網容易：ZigBee網絡有效覆蓋范圍從標準的75米，到幾千米，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定。另外，通過ZigBee無線路由器極大降低了ZigBee網絡布網及調試的難度和時間，并消除了無線通信死角。

4 典型應用

ZigBee技術可能用于幾乎所有行業的低速率、短距離無線通信場景，隨著科技的發展，不斷被應用于智能家居、消費電子設備、工業控制裝置、智能交通、智能建筑、農業自動化、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。

在一些危險領域，例如危險化學成分的檢測，火警的早期檢測和預報，高速旋轉機器的檢測和維護，都逐漸采用ZigBee網絡技術，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。

5 結 語

基于ZigBee電源監控技術，具有數據傳輸可靠、組網靈活簡單、操作方便、成本低等特點。本系統能夠對通信電源各個節點進行實時數據采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進行電源監控以良好的可擴展性、不受地理位置限制等優勢，具有一定的應用價值。

參 考 文 獻

[1] 陳國紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環境監測系統設計[J].物聯網技術，2013（10）：16-18.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4TM-2006 [s]. New York： IEEE， 2006.

[3] 牟連佳，牟連泳.無線傳感網絡及其在工業領域應用研究[J].工業控制計算機，2005，18（1）：3-5.

[4] 鄭霖，曾志民，萬濟萍，等. 基于IEEE802.15.4 標準的無線傳感器網絡[J].傳感器技術，2005.24（7）：86-88.

[5] 賈繼偉，蔡仁治，杜珉，等.通信電源的科學管理與集中監控[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[6] Chipcon AS. SmartRF CC2420 preliminary datasheet （rev1.2） [M]. Norway： Chipcon AS， 2004.

[7] YDN023-1996.通信電源和空調集中監控系統技術要求及通信協議[S].1996.

ZigBee技術的特性包括以下幾個方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于數據低速率傳輸場景；

（2）低功耗：其工作功耗遠小于Wi-Fi的工作功耗，休眠狀態，耗電僅1 uW， 非常省電；

（3）低成本：因為ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且ZigBee 協議免收專利費。

（4）抗干擾性強：在低信噪比的環境下，ZigBee具有很強的抗干擾性能；在相同的環境中，ZiBbee抗干擾性能遠遠好于藍牙和Wi-Fi；

（5）網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持65535個設備；

（6）時延短：一般時延都在15 ms至30 ms之間；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供設備之間的安全連接；

（8）有效范圍靈活、布網容易：ZigBee網絡有效覆蓋范圍從標準的75米，到幾千米，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定。另外，通過ZigBee無線路由器極大降低了ZigBee網絡布網及調試的難度和時間，并消除了無線通信死角。

4 典型應用

ZigBee技術可能用于幾乎所有行業的低速率、短距離無線通信場景，隨著科技的發展，不斷被應用于智能家居、消費電子設備、工業控制裝置、智能交通、智能建筑、農業自動化、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。

在一些危險領域，例如危險化學成分的檢測，火警的早期檢測和預報，高速旋轉機器的檢測和維護，都逐漸采用ZigBee網絡技術，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。

5 結 語

基于ZigBee電源監控技術，具有數據傳輸可靠、組網靈活簡單、操作方便、成本低等特點。本系統能夠對通信電源各個節點進行實時數據采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進行電源監控以良好的可擴展性、不受地理位置限制等優勢，具有一定的應用價值。

參 考 文 獻

[1] 陳國紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環境監測系統設計[J].物聯網技術，2013（10）：16-18.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4TM-2006 [s]. New York： IEEE， 2006.

[3] 牟連佳，牟連泳.無線傳感網絡及其在工業領域應用研究[J].工業控制計算機，2005，18（1）：3-5.

[4] 鄭霖，曾志民，萬濟萍，等. 基于IEEE802.15.4 標準的無線傳感器網絡[J].傳感器技術，2005.24（7）：86-88.

[5] 賈繼偉，蔡仁治，杜珉，等.通信電源的科學管理與集中監控[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[6] Chipcon AS. SmartRF CC2420 preliminary datasheet （rev1.2） [M]. Norway： Chipcon AS， 2004.

[7] YDN023-1996.通信電源和空調集中監控系統技術要求及通信協議[S].1996.

ZigBee技術的特性包括以下幾個方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于數據低速率傳輸場景；

（2）低功耗：其工作功耗遠小于Wi-Fi的工作功耗，休眠狀態，耗電僅1 uW， 非常省電；

（3）低成本：因為ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且ZigBee 協議免收專利費。

（4）抗干擾性強：在低信噪比的環境下，ZigBee具有很強的抗干擾性能；在相同的環境中，ZiBbee抗干擾性能遠遠好于藍牙和Wi-Fi；

（5）網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持65535個設備；

（6）時延短：一般時延都在15 ms至30 ms之間；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供設備之間的安全連接；

（8）有效范圍靈活、布網容易：ZigBee網絡有效覆蓋范圍從標準的75米，到幾千米，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定。另外，通過ZigBee無線路由器極大降低了ZigBee網絡布網及調試的難度和時間，并消除了無線通信死角。

4 典型應用

ZigBee技術可能用于幾乎所有行業的低速率、短距離無線通信場景，隨著科技的發展，不斷被應用于智能家居、消費電子設備、工業控制裝置、智能交通、智能建筑、農業自動化、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。

在一些危險領域，例如危險化學成分的檢測，火警的早期檢測和預報，高速旋轉機器的檢測和維護，都逐漸采用ZigBee網絡技術，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。

5 結 語

基于ZigBee電源監控技術，具有數據傳輸可靠、組網靈活簡單、操作方便、成本低等特點。本系統能夠對通信電源各個節點進行實時數據采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進行電源監控以良好的可擴展性、不受地理位置限制等優勢，具有一定的應用價值。

參 考 文 獻

[1] 陳國紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環境監測系統設計[J].物聯網技術，2013（10）：16-18.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4TM-2006 [s]. New York： IEEE， 2006.

[3] 牟連佳，牟連泳.無線傳感網絡及其在工業領域應用研究[J].工業控制計算機，2005，18（1）：3-5.

[4] 鄭霖，曾志民，萬濟萍，等. 基于IEEE802.15.4 標準的無線傳感器網絡[J].傳感器技術，2005.24（7）：86-88.

[5] 賈繼偉，蔡仁治，杜珉，等.通信電源的科學管理與集中監控[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[6] Chipcon AS. SmartRF CC2420 preliminary datasheet （rev1.2） [M]. Norway： Chipcon AS， 2004.

[7] YDN023-1996.通信電源和空調集中監控系統技術要求及通信協議[S].1996.