用于電力系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張羽天，藍(lán)海盛，伍繼雄

(移動(dòng)通信國(guó)家工程研究中心，廣東 廣州 510310)

為解決電力系統(tǒng)監(jiān)控與預(yù)警困難的情況，可通過(guò)ZigBee 無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的通信方式實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)關(guān)由相對(duì)低的布局組成，其功能受到不同程度的限制，無(wú)法獲得高性能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，尤其是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離通信，數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。而ZigBee協(xié)議具有簡(jiǎn)單、距離近、低功耗以及低成本的無(wú)線通信技術(shù)特點(diǎn)，最大通信速率為250 kbit·s－1，GPRS 模塊利用TCP/IP 協(xié)議可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高性能傳輸［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案

整個(gè)系統(tǒng)由ARM 控制端、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端和ZigBee 協(xié)調(diào)器3 部分組成;ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由終端和協(xié)調(diào)器兩種設(shè)備構(gòu)成。ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)分布在電力系統(tǒng)所需檢測(cè)的區(qū)域內(nèi)，無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee 協(xié)議和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成，各節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，在不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，目的是降低功耗。ZigBee 中心的節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器，用于完成中心數(shù)據(jù)的管理。中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)多個(gè)子傳感器完成數(shù)據(jù)采集和收發(fā)任務(wù)。ZigBee 協(xié)調(diào)器可通過(guò)窗口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM 控制器，控制器可接收數(shù)據(jù)后顯示出各ZigBee 的各監(jiān)控點(diǎn)傳來(lái)的監(jiān)控信息，ARM 控制器處理發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后發(fā)送到GPRS 模塊上，再由該模塊通過(guò)TCP/IP 協(xié)議發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，同時(shí)也可通過(guò)GPRS 模塊獲得上位機(jī)的各種監(jiān)控指令，將這些監(jiān)控指令傳到ARM 控制器上，再由ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送給無(wú)線傳感器的各節(jié)點(diǎn)，以便了解工作參數(shù)和控制相關(guān)設(shè)備，電力系統(tǒng)通過(guò)該方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的目的［2－4］。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式系統(tǒng)中央處理單元

嵌入式系統(tǒng)的重要處理單元是網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的必要組成部分，中央處理單元需要對(duì)無(wú)線傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制［5］。而ARM 嵌入式的職能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有功能強(qiáng)、體積小、性能高以及功率低等優(yōu)點(diǎn)，而其豐富的接口資源方便了大量的開(kāi)發(fā)和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，成為該硬件系統(tǒng)的最佳選擇。該硬件設(shè)計(jì)中的主處理器的嵌入式核心板采用ARM11 芯片，CPU 基于ARM1176JZFS設(shè)計(jì)，在內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的多媒體處理單元。尺寸為64 mm×450 mm 的Tiny6410 采用6 層板設(shè)計(jì);集成了256 MB 儲(chǔ)存器，其供電電壓為5 V，使用LM1117－1.8 V 的芯片將5 V 直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)化為1.8 V 供內(nèi)核使用，能夠?qū)崿F(xiàn)CPU 所需的各種電源轉(zhuǎn)換，帶有專(zhuān)業(yè)的復(fù)位芯片。此外，該處理器同時(shí)還配備了高節(jié)能電路，在非工作狀態(tài)下能以0.06 mW/MHz 的低耗能運(yùn)行，USART 的接口只有27.8 μW/MHz。在不更換電池的環(huán)境下，低功耗網(wǎng)關(guān)可以延長(zhǎng)工作時(shí)間。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊和ZigBee 協(xié)調(diào)器

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的控制芯片采用TI 公司的CC2530，可適應(yīng)2.4 GHz，性能比CC2430 更好，具有較好的接收靈敏度和更大的Flash 儲(chǔ)存空間。除了射頻收發(fā)模塊外，該芯片還包含了一枚增強(qiáng)型的8051 內(nèi)核［6－8］。IEEE802.154RF 收發(fā)器具有高品質(zhì)的性能，最大優(yōu)點(diǎn)在于其高抗干擾性;編程高達(dá)4.5 dBm 的輸出功率可在較少外接原件的情況下完成;硬件可最大限度地支持CSMA/CA 機(jī)制以及RSSI/LQI、電池監(jiān)視器和溫度傳感器。硬件同時(shí)具備分辨率高達(dá)12 位的ADC 和8 路輸入，能夠滿足項(xiàng)目的需求。

2.3 GPRS 無(wú)線通信模塊

該系統(tǒng)中，GSM 模塊的設(shè)置功能為通訊，是PTM100 型小GSN/GPRS 模塊，內(nèi)嵌彩信MMS 和TCP/IP 協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸，使無(wú)線終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化而有效，也可通過(guò)MMS 通道發(fā)送圖片，這主要運(yùn)用于電力系統(tǒng)的GSM 無(wú)線報(bào)警/遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制等。中央處理器通過(guò)AT 指令控制PTM100 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，也可接收控制中心發(fā)來(lái)的信息，在特殊情況下，還可控制GSM 模塊完成語(yǔ)音呼叫和緊急信息發(fā)送。

圖2 GPRS 無(wú)線通信模塊

3 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式Windows CE 操作系統(tǒng)

嵌入式Windows CE 操作系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):模塊化、多任務(wù)、結(jié)構(gòu)化、實(shí)時(shí)性和可伸縮性，以及較好的人機(jī)交互界面，通信系統(tǒng)較為穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)、硬件的控制，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制和外圍環(huán)境，需要相應(yīng)的應(yīng)用程序與訪問(wèn)硬件。在系統(tǒng)中，通過(guò)接口的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)外圍硬件設(shè)備的控制。當(dāng)主控制器與外接設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須設(shè)置GPIO寄存器，在Windows CE 操作系統(tǒng)上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)時(shí)，需先給物理地址申請(qǐng)相應(yīng)的虛擬地址，在虛擬地址確定后，才可繼續(xù)對(duì)GPIO 寄存器的操作，并將主控制器上的引腳設(shè)置成所需要的功能。

3.2 ZigBee 與ARM 控制端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

編寫(xiě)系統(tǒng)應(yīng)用程序采用Visual Studio2005，可實(shí)現(xiàn)Windows CE 操作系統(tǒng)的API 函數(shù)和流接口通信，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動(dòng)程序的訪問(wèn)及實(shí)現(xiàn)硬件的操作。由固定的入口函數(shù)對(duì)流接口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，Windows CE 文件系統(tǒng)利用這些入口函數(shù)可實(shí)行應(yīng)用程序與流接口驅(qū)動(dòng)程序的通信。流接口與Windows CE 操作系統(tǒng)的文件API 的函數(shù)關(guān)系，如圖3 所示。ZigBee 技術(shù)成功地構(gòu)建了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)采集一氧化碳、二氧化碳以及其他氣體的濃度，將采集到的信息進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。

圖3 流接口驅(qū)動(dòng)程序與API 驅(qū)動(dòng)函數(shù)的關(guān)系

3.3 GPRS 與ARM 控制端的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于AARM 的GPRS 設(shè)計(jì)了一種通信系統(tǒng)，將GPRS 技術(shù)智能通信系統(tǒng)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，以PTM100 型GPRS 模塊和ARM11 芯片為核心，通過(guò)調(diào)用AT 指令到達(dá)完成用戶間通信的目的，發(fā)揮了ARM處理器的管理能力及模塊協(xié)議處理能力，最終形成了真正的GPRS 智能通信終端，該系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP 協(xié)議達(dá)gc 通訊的目的，使用Visual Studio2005 編寫(xiě)程序，在Windows CE6.0 操作系統(tǒng)中運(yùn)行，GPRS 模塊和嵌入式控制系統(tǒng)通過(guò)串口完成通信，TCP/IP 協(xié)議連接發(fā)送數(shù)據(jù)［9－10］。

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)測(cè)試分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在硬件與軟件設(shè)計(jì)完成后，便進(jìn)入到系統(tǒng)調(diào)試階段。將ARM 板和協(xié)調(diào)器通過(guò)串口連接，將GPRS 模塊和ARM 板通過(guò)另一個(gè)串口線進(jìn)行相連，利用協(xié)調(diào)器采集無(wú)線傳感器各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?，信息顯示在ZigBee 的傳輸窗口接收數(shù)據(jù)區(qū)，并將采集到的信息傳輸給ARM 連接的GPRS 模塊，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無(wú)線發(fā)送。

距離較遠(yuǎn)的監(jiān)控中心將及時(shí)收到來(lái)自GPRS 模塊的傳輸數(shù)據(jù)包，通過(guò)處理和計(jì)算獲得監(jiān)控區(qū)域的一氧化碳、二氧化碳等空氣濃度，從而使電力單位迅速找到線路老化、甚至燒焦著火的區(qū)域。

通過(guò)對(duì)上述網(wǎng)關(guān)中各模塊的設(shè)計(jì)、分析，形成了完整的網(wǎng)管系統(tǒng)方案，最終對(duì)該網(wǎng)管設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，從建立星形網(wǎng)絡(luò)、終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，再到數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)管后的一系列測(cè)試，且進(jìn)一步測(cè)試了數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間傳輸?shù)姆€(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在21 天的試驗(yàn)測(cè)試中，持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，誤碼率為0。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)在電力系統(tǒng)的監(jiān)控使用過(guò)程，進(jìn)行了多次可行性調(diào)研，提出了適合電力系統(tǒng)特點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，提出了基于ARM 的ZigBee與GPRS 無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的解決方案。設(shè)計(jì)了符合電力系統(tǒng)實(shí)際情況的一套無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。利用傳感器控制電路，并通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)完成狀態(tài)的控制和信息的采集，利用ARM 控制器完成對(duì)系統(tǒng)的智能控制，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心接收設(shè)備來(lái)完成信息和發(fā)生控制的指令。該系統(tǒng)的研究成果對(duì)于電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程線路監(jiān)控起到積極的意義，尤其對(duì)線路的老化、燒焦以及著火能迅速做出反應(yīng)。編寫(xiě)Windows CE6.0 的應(yīng)用程序，雖然未能達(dá)到理想的狀態(tài)，當(dāng)通過(guò)對(duì)軟、硬件調(diào)試后，可以使程序穩(wěn)定地運(yùn)行。本文用于電力系統(tǒng)無(wú)線傳感器系統(tǒng)的組建，實(shí)現(xiàn)了信息傳輸，對(duì)其他傳感器的設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

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