ZigBee技術在電壓監控預警系統中的應用

丁 也， 范會爽， 陳雨晴， 徐旭強， 高 哲

(遼寧大學 輕型產業學院，沈陽 110036)

·實驗技術·

ZigBee技術在電壓監控預警系統中的應用

丁 也， 范會爽， 陳雨晴， 徐旭強， 高 哲

(遼寧大學 輕型產業學院，沈陽 110036)

為了實現大型工廠或社區電壓檢測的網絡化管理，采用ZigBee技術設計了電壓無線通信監測預警系統。監控系統分為上位機和下位機兩部分，通過Visual Basic編程語言，利用可視化插件及圖像繪制算法開發監測預警平臺，收集由協調器經串口發送給計算機的采集數據，以實現上位機采集電壓數據，繪制實時圖像以及超標報警的功能。利用IAR集成開發環境，通過使用Z-Stack協議棧控制ZigBee網絡中各個ZigBee模塊，以實現ZigBee網絡的組建以及對電壓數據采集、數據傳送和數據接收功能。

ZigBee技術； 無線通信； 電壓采集； 監控預警系統； 網絡管理

0 引 言

隨著物聯網技術的廣泛發展，導致無線低速網絡通信技術如ZigBee、藍牙、超寬帶等短距離通信規范競相問世[1]。ZigBee無線通信技術以近距離，傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加發射功率后，亦可增加到1～3 km；低功耗，在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24月，甚至更長；低速率，ZigBee工作在20～250 Kb/s的速率，分別提供250.40 Kb/s(915 MHz)和20 Kb/s(868 MHz)的原始數據吞吐率滿足低速率傳輸數據的應用需求；低成本，通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32 KB代碼，子功能節點少至4 KB代碼，而且ZigBee免協議專利，每塊芯片的價格約為2美元的特點被運用得越來越廣泛[2-6]。

目前，我國現階段廣泛使用的電壓監測報警設備體積大、成本高、耗能高、可靠性低、網絡化程度低[8]，無法完全適應如今大型工廠、電廠等大型建筑的電壓監測任務[9]。因此，實現目前急需解決的問題便是使監控設備網絡化、低成本化。

為了實現大型工廠電壓監控網絡化管理，本文設計了一種電壓監控報警系統。此系統將ZigBee無線傳輸技術與PC機端電壓監控報警程序相結合。通過ZigBee無線傳輸技術組建由終端監測節點—路由器節點—協調器節點組成的分層次網絡，并將終端傳感器網絡化分布于整個監控監測區域從而構成實時數據網絡采集平臺。利用Z-Stack協議棧中的無線收發功能函數，實現監測數據從終端至協調器的無線傳輸功能。協調器對數據包進行分析、處理并通過串口網絡將信息傳給PC端監控平臺，監控平臺中心實時獲取并分析所收集數據做出相應反應并繪制出電壓實時變化圖像。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種雙向無線通信技術，包含3種設備：協調器、路由器和終端節點設備[10]。其中，協調器作為所搭建網絡的中心；路由器功能為收發數據，發現、允許其他節點通過它接入網絡；終端設備功能為收發數據以及控制外圍設備[11]。系統選用的ZigBee模塊為CC2530F256。

1.2 CC2530方案

CC2530是一種片上系統解決方案，適用于IEEE 802.15.4、2.4 GHz ZigBee技術[12]。實驗所使用CC2530F256由于擁有比上一代更大的存儲空間，適合于ZigBeePro/2007復雜協議棧應用，結合德州儀器(TI)的ZigBee協議棧Z-Stack，使得用戶可以擁有一個強大完整的ZigBee解決方案[13]。CC2530F256芯片內置射頻前端CC2520模塊，使得RF模塊的無線信號收發能力得到了增強；采用QFN40封裝，編程輸出功率最大可達到4.5 dBm；芯片面積和引腳數都小于CC2430的QLP48封裝，既增強了性能又降低了芯片功耗[14]。

1.3 ZigBee協議棧

ZigBee協議由兩部分組成，第一部分是物理層和介質訪問控制層(Medium Access Control Layer，MAC)，由IEEE 802.15.4定義；第二部分是網絡層、安全層和應用層，由ZigBee聯盟定義技術規范[15]。ZigBee協議棧就是集各個層定義的協議于一身。協議棧以函數調用的方式實現ZigBee功能，而且在協議棧中還為用戶提供了應用程序編程接口，來滿足用戶的需求[16]。服務接入點是各層之間進行通信的通道。作為ZigBee協議底層的物理層與MAC層，選擇信道和合法的個域網地址(Personal Area Network ID，PANID)是其主要功能[17]，建立拓撲結構和維護網絡連接是網絡層的主要功能。應用支持子層(Application Support Sub Layer，APS)、ZigBee設備對象和ZigBee應用框架共同構建ZigBee應用層[18]。其中，數據發送與接收是由APS通過應用支持子層數據服務訪問接口實現。

2 監測系統的設計

系統分為上位機和下位機兩部分。上位機部分需將得到的信息處理分析繪制圖像，上位機軟件開發環境選擇Visual Basic 6.0；下位機設計開發環境選擇IAR7.60，在 Z-STACK-2.4.01.4.0 協議?；A上編寫應用層程序。所需軟件開發環境有：IAR Embeded Workbench、燒寫工具Flash Programer。

上位機為信息接收處理部分;下位機為信息檢測發送部分。上位機由協調器接收并向計算機傳送數據進而通過運行監控報警系統軟件來實現監控報警功能。下位機由電壓傳感器、終端節點、路由節點組成的ZigBee網絡來實現對數據的采集和發送功能。監控系統示意圖如圖1所示。

1 監控系統示意圖

2.1 報警系統下位機設計

系統中使用的ZigBee終端節點具有類似的基本結構，包含±12 V恒壓電壓源、CC2530無線通信模塊、交流電壓傳感器及利用uA741高增益運算通用放大器搭建的雙運放電壓比例運算電路。通過調用Z-Stack協議棧函數并導入ZigBee模塊嵌入式系統使得節點可以正常工作。協調器主要用于組建網狀的無線傳感器網絡和數據的收發處理。在終端監測設備節點中，外圍由GPIO口中的某一個接口，系統設計選用P0.5，連接交流電壓傳感器組成電壓信號采集設備。

終端設備開啟后電壓傳感器自動測量所在電路電壓值并以0～5 V電壓的形式傳輸給電壓轉換電路，電壓轉換電路將0～5 V電壓轉換為0～3 V電壓以符合終端模塊內置AD轉換模塊要求，終端內置AD轉換模塊將此模擬信息轉化為數字信息，再經過底板微處理器完成對數據的打包處理后，通過CC2530射頻芯片發送出去。為了模擬被檢測系統電壓變化情況，防止電壓超過送電線路要求發生安全性問題，本實驗采用手調電壓器代替負載。下位機設備如圖2所示。

圖2 下位機設備圖

2.2 報警系統上位機設計

上位機由 Visual Basic 6.0編譯而成，在編譯上位機程序時，首先對ZigBee數據格式、串口選擇、波特率選擇的代碼進行分析，然后利用VB內置函數及插件實現對數據的接收、處理和圖像繪制功能。由協調器接收的數據通過USB數據線將數據上傳至PC機構成的實時監控平臺進行信息分析、處理，繪制圖像。上位機程序流程圖如圖3所示。

2.3 監控系統網絡組建

系統中ZigBee無線網絡采用星型網絡拓撲結構。開始工作后協調器首先根據程序預先設定的信道和PANID建立無線網絡。組網過程如圖4所示。

然后，終端監測節點設備與路由器節點設備通過檢測發現無線網絡，提出申請加入該無線網絡，并獲得唯一的地址編號，終端組網過程如圖5所示。

ZigBee無線網絡建立好后，網絡內的各個終端監測節點把采集的實時監測數據打包后，不間斷重復地發送至協調器。同時，協調器通過USB數據線與PC機構成的實時監控平臺連接，實現數據上傳分析與定位功能。

圖3 上位機程序流程圖

圖4 協調器組網流程圖

圖5 終端設備組網流程圖

3 報警系統實驗結果與分析

本實驗中，采用了1個協調器節點和3個終端傳感器節點共同組成星型網絡。在完成對每1個節點進行了功能測試后，啟動IAR軟件，編寫程序并編譯成可執行文件，通過仿真器將程序燒錄至每一個節點。

協調器采用自啟動模式，初始化通過除去HOLD_ AUTO_START來完成協調器自啟動的設定。協調器網絡建立成功后作為網絡建立成功的標志ZDO_STATE_CHANGE事件被觸發；終端也采用自啟動模式，節點在初始化時通過對網絡發現函數NLME_NetworkDiscoveryRequest()的調用來加入網絡并將網絡地址發送給協調器，作為入網成功的標志ZDO_STATE_CHANGE事件被觸發。上電后通過觀察協調器設備上的D3燈來判斷組網是否成功，協調器D3燈熄滅表明組網成功，路由器和終端設備上D3熄滅時說明入網成功。當開發板上RX、TX指示燈開始閃爍時，表示實現數據傳輸，即可開展實驗測試。

線路電壓正常情況下，終端設備上D1、D2燈為長亮狀態。ZigBee的自組網功能啟動，整個監測環境內的各個節點連接成無線監測網絡，協調器建立并管理整個無線網絡，為各個節點分配不同的IP地址。監控節點上通過電壓轉換電路連接的交流電壓傳感器實時進行電壓監測，并將電壓的實時信號參數通過路由器節點轉發或直接送至協調器。協調器對收到的數據進行處理，并將數據通過串口發送到計算機構成的監控平臺。

打開上位機監控平臺，平臺初始化成功，選擇接入串口及波特率，按下開始工作按鈕，信息收集、圖像繪制功能啟動，將由電壓傳感器采集到的經由終端節點打包發送出后由協調器接收到并通過USB發送到上位機的監測數據分析、判斷，然后繪制出電壓/時間圖像。

系統實時運行狀況如圖6中線路1～4所示。當線路電壓出現變化情況，電壓突然出現峰值，電壓傳感器及時將信息收集并提供給終端ZigBee節點，平臺實時繪制出變化圖像，如圖6線路2所示。如果電壓值超過額定值，系統發出報警并發送警告給巡查人員，提示監控室值班人員有突發情況出現。

圖6 監控系統實時監控界面

4 結 語

基于ZigBee技術與傳感器的網絡化無線通信監控報警系統，利用了ZigBee網絡來傳輸傳感器實時監測的至監控中心，監控中心達到實時監控與數據分析快速報警定位的目的。實現了網絡化實時監控管理電壓突變的突發情況，快速有效地做出應對措施反應。在當今網絡化時代，大型公建的監測平臺網絡化正在一步步推進，而基于ZigBee技術的無線監測網絡正好順應了當今時代潮流，可以很好地符合各種大型廠房的需求，具有很好的應用前景。

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Application of ZigBee Technology for Electricity Monitoring Alarm System

DINGYe，FANHuishuang，CHENYuqing，XUXuqiang，GAOZhe

(College of Light Industry, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

In order to achieve large-scale network management of factories or community-voltage detection, ZigBee wireless communication technology is used to design the voltage monitoring and warning system. The monitoring system consists of host computer and serve computer. By using the Visual Basic programming language, the visual plug-ins and image rendering algorithm, a platform for monitoring and early warning is developed. The host computer is used to collect voltage data, draw real-time image and the exceeding alarm. The data are collected by serve computer and through the serial port of coordinator to the host computer. Using IAR integrated development environment and the Z-Stack protocol, the ZigBee network is controlled to achieve the formation of the ZigBee network and the voltage data acquisition, the data transfer, and the data reception. Real-time monitoring and warning of large plant or community voltage, the integration of the branch voltage information, and the network management of power grid are achieved by ZigBee wireless communication network.

ZigBee technology; wireless communication; voltage acquisition; monitoring and early-warning systems; network management

2016-08-08

國家自然科學基金(61304094)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015194)；大學生創新創業項目(X201410140103)

丁 也(1995-)，男，滿族，河北承德人，本科生。

Tel.:18503145150；E-mail:453920702@qq.com

高 哲(1983-)，男，遼寧沈陽人，博士，副教授，研究方向：分數階控制系統分析與設計，復雜電力系統控制。

Tel.:15004058807；E-mail:gaozhe83@gmail.com

TP 274.2；TP 277

A

1006-7167(2017)04-0004-04