基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)

張 敏， 海博奇， 鄒 鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(威海)，山東 威海 264209）

0 引言

傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線連接方式。當監(jiān)控節(jié)點較多時，就存在著安裝困難、布線繁瑣及維護不便等問題。采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來組建這種電源監(jiān)控系統(tǒng)，即可解決上述種種問題?，F(xiàn)介紹ZigBee技術(shù)的工作原理及實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。ZigBee標準規(guī)定，所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為Coordinator、Route、End Device這3種類型。不論ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用何種拓撲方式，網(wǎng)絡(luò)會自動按照ZigBee協(xié)議算法選擇較好的路由路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道，以提高通訊效率[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

終端節(jié)點通過采集/保護模塊采集電源設(shè)備0～30 V的電壓數(shù)據(jù)，通過路由器節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時還要接收協(xié)調(diào)器的控制命令并作相應(yīng)處理；路由器節(jié)點在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，確保協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換正確，增加了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；協(xié)調(diào)器節(jié)點一方面接收終端節(jié)點采集到的電源電壓數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機，另一方面接收上位機的命令信息，然后發(fā)送給對應(yīng)的終端節(jié)點；上位機實現(xiàn)對監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)信息的管理，包括系統(tǒng)配置、實時狀態(tài)顯示、節(jié)點控制、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)查詢等[2]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲選擇

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有3種拓撲形式：星形拓撲、樹形拓撲、網(wǎng)狀拓撲。文中設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)選擇網(wǎng)狀拓撲作為系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。

2 ZigBee監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主要由路由器節(jié)點和終端節(jié)點組成。終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

終端節(jié)點模塊由采集和控制兩部分組成。電源采用DH1718G-4型直流穩(wěn)壓電源。將電源電壓0～30 V使用1/10電阻分壓變?yōu)镃C2430片內(nèi)AD采集0～3 V電壓；保護模塊又包括繼電器和蜂鳴器電路兩部分，繼電器用于切斷或恢復(fù)電源與負載設(shè)備的連接，起到過壓保護的作用，蜂鳴器在電源過壓時響起，起報警作用。其中，在繼電器驅(qū)動電路里加入二極管用于在繼電器斷電瞬間將繼電器線圈產(chǎn)生的較大的反向電動勢釋放掉，起到保護三極管的作用[3]。

3 ZigBee監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 Z-Stack的軟件架構(gòu)及定制

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件開發(fā)平臺采用IAR Embedded Workbench V7.30B for 8051 ( IAR EW)集成開發(fā)環(huán)境。ZigBee無線模塊的軟件系統(tǒng)協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用“事件輪詢”機制，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式。當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。整個Z-Stack的主要工作流程大致分為：系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進入事件輪詢階段[4]。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中的作用是，建立并管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，自動允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求，收集終端節(jié)點傳來的電壓數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，同時接收上位機的控制命令，再將命令發(fā)送給終端節(jié)點控制其采取相應(yīng)的處理措施。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)并處理節(jié)點請求的程序流程如圖3所示。

3.3 路由器節(jié)點軟件設(shè)計

路由器節(jié)點在系統(tǒng)中的作用是路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址。一種是 64位IEEE地址（也稱為MAC地址或擴展地址）；另一種是16位網(wǎng)絡(luò)地址（也稱為邏輯地址或短地址）。ZigBee使用一個分布式的編址方案來分配網(wǎng)絡(luò)地址。該方案確保了所有被分配的網(wǎng)絡(luò)地址在整個網(wǎng)絡(luò)中是唯一的[5-6]。路由器建立網(wǎng)絡(luò)的程序流程如圖4所示。

3.4 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點在系統(tǒng)中的作用是采集電源電壓數(shù)據(jù)，并通過與協(xié)調(diào)器建立“綁定”將電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制命令，控制采集/保護模塊中的繼電器和蜂鳴器做出相應(yīng)的操作。在終端節(jié)點以終端的身份啟動并加入網(wǎng)絡(luò)后，即開始與協(xié)調(diào)器建立綁定。一旦一個綁定被創(chuàng)建，終端節(jié)點就可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。其與協(xié)調(diào)器建立綁定及電壓數(shù)據(jù)傳遞的完整程序流程如圖5所示。

4 上位機的軟件設(shè)計

4.1 界面總體設(shè)計

本系統(tǒng)的上位機軟件采用 NI公司推出的面向測控領(lǐng)域的LabWindows/CVI軟件作為開發(fā)平臺[7]。它實現(xiàn)的主要功能有：通過串口接收ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳來的被監(jiān)控電源的電壓數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)分別以文本及波形圖的方式實時顯示出來；設(shè)置電壓警戒值及控制方式等，實現(xiàn)電源電壓無線監(jiān)控系統(tǒng)的自動或手動控制；通過連接后臺數(shù)據(jù)庫，將電壓及報警信息儲存在數(shù)據(jù)庫中，方便在上位機界面上對報警記錄的查詢和日后對監(jiān)控數(shù)據(jù)信息的管理等[8]。界面的總體設(shè)計如圖6所示。

圖6 上位機界面總體效果

4.2 界面數(shù)據(jù)庫功能的設(shè)計

本系統(tǒng)為上位機軟件加入數(shù)據(jù)庫功能。這里采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄和管理。LabWindows/CVI提供了數(shù)據(jù)庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit。工具包里包含了一個用來完成一般數(shù)據(jù)庫任務(wù)的高級函數(shù)集。

5 系統(tǒng)運行測試

將各個模塊連接好，分別間隔10 m放置好后，首先打開電源設(shè)備，隨后終端節(jié)點開始采集電源電壓數(shù)據(jù)，并每隔1 s將數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)給上位機軟件。當電壓低于10 V時，界面顯示如圖7所示。

此時監(jiān)測數(shù)據(jù)已實時地存入后臺數(shù)據(jù)庫中，當需要查詢以往保存過的報警記錄時，點擊界面上的“數(shù)據(jù)庫記錄查詢”標簽，在下方輸入想查詢數(shù)據(jù)的日期，點擊確定后，查詢結(jié)果即會以表格形式顯示出來。

圖7 電壓安全狀態(tài)時界面顯示

6 結(jié)語

文中給出了一種針對電源監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計方案，解決了有線網(wǎng)絡(luò)存在的布線、維護和擴展性等眾多問題。系統(tǒng)把以CC2430芯片為核心的ZigBee無線模塊作為節(jié)點，具有協(xié)議簡單、成本低、功耗小、組網(wǎng)容易等優(yōu)點。經(jīng)試驗證明，系統(tǒng)可以很好的完成電源數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和記錄任務(wù)，并完成對電源的斷電保護工作，具有很高的應(yīng)用價值。

[1] 王權(quán)，王莉. ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技，2004(01):33-37.

[2] 屈明佑，雷航，郭文生.基于ZigBee的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2008(02):34-38.

[3] CHAKERES I D, KLEIN-BERNDT L.AODVjr, AODV Simplified[J]. Mobile Computing and Communications Review, 2002,6(03): 100-101.

[4] 蔡雨楠，王福豹，嚴國強.基于數(shù)服務(wù)和能量控制的ZigBee路由策略研究[J].微型電腦應(yīng)用，2008，24(06): 4-7.

[5] Texas Incorporate. CC2420 Datasheet SWRS041B[Z].USA:Texas Instrum entsIncorporated, 2007.

[6] 林瑤瑤.基于 ZigBee的現(xiàn)場參數(shù)無線檢測裝置的研究與設(shè)計[D].大連：大連理工大學，2009：43-45.

[7] 黃雙華, 趙志宏, 郭志. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究與實現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù), 2007,30(02):59-61.

[8] 張毅剛，喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境 LabWindows/CVI 6.0編程指南[S].北京:機械工業(yè)出版社，2002:185-207.