基于ZigBee技術的電源網絡監控系統設計

王慶福

（遼寧行政學院，遼寧沈陽，110161）

基于ZigBee技術的電源網絡監控系統設計

王慶福

（遼寧行政學院，遼寧沈陽，110161）

隨著日常生活和生產中設備對用電的要求，電源的管理越來越重要，電源的穩定性不僅影響設備的正常工作，還會帶來相應的安全隱患。在系統設計中對電源要進行必要的監測和控制，電源監控系統中終端設備單獨對電源模塊進行監控，對電源的控制采用快速響應繼電器來減少延遲，從而保證系統安全。本文提出了基于ZigBee無線傳感網的電源監控系統軟件設計和硬件設計方案。系統中的ZigBee無線模塊節點采用CC2430 芯片為核心，優點是成本低、協議簡單和組網容易等。

ZigBee；無線傳感網；電源監控系統

1 ZigBee關鍵技術分析

ZigBee技術是基于IEEE的802.15.4無線標準的，ZigBee技術是無線網絡組網、安全和應用的技術標準。IEEE負責MAC層協議，ZigBee技術對網絡層協議和應用層協議進行標準化，ZigBee技術中的協調器可以連接254個節點，幾個協調器可以組成一個網絡，對網絡層和應用層進行擴展，并且開發了相應的安全協議，避免了ZigBee無線傳感網的敏感信息通過安全漏洞進行泄漏的問題。ZigBee技術的特點低成本、低功耗、近距離、短時延和高容量等。ZigBee無線傳感節點包括傳感器模塊、無線通信模塊、供電設備和數據處理四個部分，無線傳感器節點的ZigBee技術中ZigBee節點采用了標準化制定，這樣更適合數據的可靠傳輸，操作的距離更短，功耗和成本更低等一系列優點。ZigBee傳感器節點通過區分不同的功耗實現最大程度的降低設計成本，并且對節點功率資源進行合理的利用。ZigBee技術的無線傳感網有15個信道，若干個ZigBee無線傳感網分布在每個信道中，一個Sink節點和多個普通節點組成每個ZigBee無線傳感網。

2 電源監控系統設計

2.1 系統結構設計

系統電源設計分析，電源供電一旦出現短路、線路電流過大引起的設備發熱等電源工作異常問題，會影響整個系統的正常運行，所以我們要對電源進行監控，當出現異常情況時，采取必要的措施來保護線路，并查出問題原因。系統設計的設計要求要對電源電壓進行采樣，電源出現異常時要及時處理， 對采集數據進行處理和保存，系統結構設計要簡單。監控系統的功能設計要保證測量的精度，具有報警功能，無線通信功能，數據保存功能，組建的網絡要便于管理。根據電源監控系統的設計要求，制定合理的設計方案，監控系統組成分為上位機、協調器和終端設備三個部分。終端設備負責采集電源參數數值和控制電源開關，終端設備與協調器的通信是通過ZigBee無線傳感網實現的。協調器作為中間的傳輸媒介，協調器主要是把終端設備數據傳給上位機，在把上位機的控制命令傳輸給終端設備，協調器與上位機的通信是通過串口進行的。

終端節點通過采集/保護模塊對電源設備的電壓數據進行采集，采集的電壓數據主要是0-30V的數值，這些電壓數據的值通過路由器節點發送給協調器的節點，路由器節點還可以接收協調器發來的控制指令，并根據控制指令做出相應的處理。路由器節點可以增加ZigBee無線傳感網的整個的網絡覆蓋的范圍，保證整個電源監控系統的數據中轉正常運作，負責系統中協調器節點和終端節點之間的數據交換正確。協調器節點通過串口把終端節點采集到的電源電壓的數據發送給上位機，并且可以接收到上位機發來的命令，然后把命令信息發給與之相對應的終端節點上。上位機主要負責對監控設備數據信息的管理，包括數據信息的查詢、數據信息的處理、終端和路由節點的控制以及電源監控系統的配置等。ZigBee協議棧結構分四層，分別是應用層、網絡層、物理層和MAC層。按照ZigBee協議標準把ZigBee的網絡節點分為三種類型，分別是Coordinator、Route和End Device 。

ZigBee的網絡拓撲結構有星型結構、樹形結構和網狀結構，本文在基于ZigBee無線傳感網的電源監控系統設計的結構中選擇的系統拓撲結構是網狀拓撲結構。無論在哪一種ZigBee網絡拓撲結構中，數據傳輸通道會按照ZigBee的協議算法來選擇最適合的路由路徑，這樣提高了整個無線網絡的通信速率。

2.2 系統運行測試

ZigBee監控系統的組成主要有終端節點和路由器節點兩部分。終端節點模塊由采集模塊和控制模塊組成。在終端節點模塊中電源的選擇主要采用 DH1718G-4 型直流穩壓電源，保護模塊包括分壓電路，繼電器電路和蜂鳴器電路，繼電器的功能是過壓保護，繼電器作用主要是用來切斷電源與負載設備的連接，也可以恢復電源與負載設備的連接。蜂鳴器功能是報警，在電源過壓時候發出響聲并報警。終端節點的硬件結構中，把二極管加入到繼電器驅動電路里，這樣在繼電器斷電的瞬間，可以釋放掉繼電器線圈產生的反向電動勢，從根本上保護了三極管。對zigBee無線傳感網的電源監控系統，查看測試效果。把系統中的各個功能模塊按設計要求分別間隔10米放置并進行連接，啟動電源設備，系統中的終端節點對電源電壓數據進行采集，并將采集到的電源電壓數據每隔1秒通過zigbee無線傳感網絡發送給上位機軟件，測試的監測數據實時的存放到后臺數據庫中。

3 總結

傳統有線網絡中存在的綜合布線和網絡擴展等問題，可以通過ZigBee無線傳感網得到很好的解決。有線連接方式是傳統電源監控系統常用的連接方式，所以在傳統電源監控系統中，如果出現監控節點比較多的時候，會出現布線施工困難、安裝工作繁瑣和系統維護的不方便等諸多問題。采用ZigBee無線傳感網技術來組建電源監控系統，可以解決傳統電源監控系統中出現的問題。ZigBee技術是新興的無線網絡傳輸技術，可以實現在傳感器之間協調無線通信。

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[2]史寧.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡平臺的研究與實現[D].吉林大學.2016.

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[4] 錢建波,于正永,何曉鳳.基于嵌入式遠程電源監控系統的設計及應用[J].福建電腦，2010,26(3):128-129.

Design of power network monitoring system based on ZigBee wireless sensor network

Wang Qingfu
(Liaoning Academy of Governance, Shenyang Liaoning，110161)

With the daily life and production equipment for electricity demand, power management is more and more important, the power supply stability not only affect the normal work of the equipment, but also bring about the corresponding security risks Monitoring and control of power supply to be necessary in the design of the system, the monitoring system of power supply terminal equipment to separate power supply module for monitoring and control of the power supply by the rapid response of the relay to reduce the delay, so as to ensure the safety of the system This paper presents the software design and hardware design of power monitoring system based on ZigBee wireless sensor network In the system, the ZigBee wireless module node adopts CC2430 chip as the core, and it has the advantages of low cost, simple protocol and easy networking

ZigBee; wireless sensor network; power monitoring system