基于ZigBee的電源監(jiān)控技術(shù)

郭成寶

摘 要：現(xiàn)有的通信系統(tǒng)（GSM/CDMA）因?yàn)槭褂帽憬?，而在電源監(jiān)控領(lǐng)域中得到了廣泛的推廣和使用，但是，由于建設(shè)移動(dòng)通信基站系統(tǒng)費(fèi)用昂貴，而且它的信號(hào)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(jìn)行電源監(jiān)控的站點(diǎn)沒法覆蓋到，這勢(shì)必導(dǎo)致監(jiān)控方式受限。為此，文中提出了一種基于ZigBee技術(shù)的電源監(jiān)控方法。該方法采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，是一種新興的低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本、小體積、近距離且使用簡(jiǎn)單的無線技術(shù)，它基于IEEE 802.15.4 收發(fā)器技術(shù)與入 ZigBee 協(xié)議棧的組合，可在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。而且傳感器的功耗非常低，可以用接力的方式把數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到下一個(gè)傳感器，因此，這種監(jiān)控方式高效且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng)；電源監(jiān)控；ZigBee技術(shù)；IEEE802.15.4協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN86；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）02-0025-02

0 引 言

《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中明確規(guī)定：監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)部署上是一個(gè)多級(jí)的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，一般可分為三級(jí)，即監(jiān)控中心（SC-Supervision Center）、監(jiān)控站（SS-Supervision Station）、監(jiān)控單元（SU- Supervision Unit）。其中SC和SS監(jiān)控主機(jī)為PC機(jī)，SU由單片機(jī)或監(jiān)控模塊組成。SU有一套設(shè)備和環(huán)境參量采集器；當(dāng)警告發(fā)生時(shí)，SU將信號(hào)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)往SC，SC系統(tǒng)通過軟件對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)信息，控制相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)生成各種統(tǒng)計(jì)圖表和資料。其監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠?qū)Ψ植荚谙到y(tǒng)的重要設(shè)備，包括通信電源、機(jī)房空調(diào)以及環(huán)境設(shè)備等都能夠進(jìn)行遙測(cè)（YC）、遙信（YX）、遙控（YK）和遙調(diào)（YT），達(dá)到遙視（YS）目的，既能實(shí)時(shí)監(jiān)視和顯示其運(yùn)行參數(shù)，又可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)和處理系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備故障。這種自動(dòng)化、智能化的管理，可以提高工作效率，實(shí)現(xiàn)少人或無人職守，達(dá)到降低成本的目的，整個(gè)系統(tǒng)在給操作人員提供一個(gè)可視化操作環(huán)境同時(shí)、更能讓他感覺友好和方便。

1 傳統(tǒng)的監(jiān)控通信系統(tǒng)

根據(jù)圖1可以了解到，整個(gè)電源監(jiān)控系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)基本上是由各監(jiān)控站組成，每一個(gè)監(jiān)控站又由多個(gè)監(jiān)控單元組成，包括UPS電源、空調(diào)、油機(jī)等多種分散設(shè)施組成。能否及時(shí)掌握整個(gè)監(jiān)控單元的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出的數(shù)據(jù)（主要有溫度、電壓、電流、壓力等），并對(duì)它們進(jìn)行科學(xué)的分析，然后及時(shí)地將生產(chǎn)調(diào)度指令，反饋到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，就直接關(guān)系到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM/CDMA），由于使用簡(jiǎn)單方便，已在電源監(jiān)控以及其它各種工業(yè)的低數(shù)據(jù)率監(jiān)控領(lǐng)域中廣泛被采用，在實(shí)際中也解決了大量的問題。 然而，由于移動(dòng)通信它屬于固定成本很高、邊際成本很低的服務(wù)行業(yè)這個(gè)性質(zhì)，用戶在實(shí)際應(yīng)用中，都普遍存在如下問題：建設(shè)移動(dòng)通信基站費(fèi)用非常昂貴，而且信號(hào)只能覆蓋在用戶比較密集的地方，如城市、學(xué)校、工礦點(diǎn)以及比較密集的居民點(diǎn)等，而許多地段偏遠(yuǎn)荒涼或人煙稀少的地方卻無法覆蓋到，輕則僅是一些個(gè)別孤立點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成一整片，或一整段，形成盲區(qū)。解決這些盲點(diǎn)或盲區(qū)和現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)的通信連接問題，如果采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式來與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相連，則每一個(gè)盲點(diǎn)，都需要一對(duì)無線收發(fā)設(shè)備才能與移動(dòng)網(wǎng)相連，這勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)備安裝和運(yùn)營(yíng)維修費(fèi)用。如何運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源維護(hù)監(jiān)控的信息化、自動(dòng)化，已經(jīng)成為電信部門日常維護(hù)設(shè)備、減少停機(jī)時(shí)間、提高工作效率的必由之路。

2 采用ZigBee技術(shù)的電源監(jiān)控

作為一種新興的ZigBee技術(shù)，使用IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE 802.15.4總共定義了3個(gè)頻帶：2.4 GHz、915 MHz和868MHz。每個(gè)頻帶提供穩(wěn)定數(shù)量的信道。與藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)相比，更適合低速率、短距離并且對(duì)成本、安全性、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和功耗有特殊要求的節(jié)點(diǎn)之間的無線通信。

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的電源監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)工作于（2.4～2.48 Ghz）ISM免費(fèi)頻段，具有16個(gè)擴(kuò)頻通信信道， 傳輸速率為250 KB，具有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能、抗干擾力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、自動(dòng)動(dòng)態(tài)組圖、自由路由等特點(diǎn)。

覆蓋范圍近則幾十米，遠(yuǎn)則能達(dá)幾公里的效果。而且在非工作模式，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，耗電僅1 uW， 非常省電。對(duì)那些需要覆蓋距離短的監(jiān)控站點(diǎn)，工作模式耗電為30 mW。在使用頻率不是很高的場(chǎng)景中，通常兩節(jié)普通干電池使用壽命可達(dá)一年以上。采用新的無線通信技術(shù)，并借助程序軟件，能把多達(dá)65 535個(gè)電源監(jiān)控站相互動(dòng)態(tài)組網(wǎng)聯(lián)接起來，進(jìn)行信號(hào)傳輸。每個(gè)監(jiān)控站在整個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)中作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存在，擁有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，起到數(shù)據(jù)的收發(fā)和中轉(zhuǎn)作用。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)，連接于外面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；并且遵循現(xiàn)有的各種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)安全性非常高，硬件設(shè)施支持CRC 和 AES-128，與一般的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)就都可以看成一個(gè)簡(jiǎn)單的小基站，節(jié)點(diǎn)之間可以直接相互通信。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以隨意地加入和退出，是一種自組織和動(dòng)態(tài)配置的組網(wǎng)方式。借助網(wǎng)管軟件，能夠?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中的任一基站（節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)需要傳輸大負(fù)荷的數(shù)據(jù)時(shí)，可以采取增加一些高速率的數(shù)據(jù)出口節(jié)點(diǎn)方式， 組成一種復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來減輕整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量；同時(shí)還可采取如適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)自身的內(nèi)存、加大每個(gè)節(jié)點(diǎn)本身的信號(hào)處理能力以及設(shè)立適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)卸載等措施來減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

ZigBee與其他無線通信方式的對(duì)比如表1所列。

3 采用ZigBee監(jiān)控技術(shù)的特性

ZigBee技術(shù)的特性包括以下幾個(gè)方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于數(shù)據(jù)低速率傳輸場(chǎng)景；

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

（3）低成本：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。且ZigBee 協(xié)議免收專利費(fèi)。

（4）抗干擾性強(qiáng)：在低信噪比的環(huán)境下，ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能；在相同的環(huán)境中，ZiBbee抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于藍(lán)牙和Wi-Fi；

（5）網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個(gè)設(shè)備；

（6）時(shí)延短：一般時(shí)延都在15 ms至30 ms之間；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供設(shè)備之間的安全連接；

（8）有效范圍靈活、布網(wǎng)容易：ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到幾千米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。另外，通過ZigBee無線路由器極大降低了ZigBee網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)及調(diào)試的難度和時(shí)間，并消除了無線通信死角。

4 典型應(yīng)用

ZigBee技術(shù)可能用于幾乎所有行業(yè)的低速率、短距離無線通信場(chǎng)景，隨著科技的發(fā)展，不斷被應(yīng)用于智能家居、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)控制裝置、智能交通、智能建筑、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中。

在一些危險(xiǎn)領(lǐng)域，例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)，火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)，都逐漸采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

5 結(jié) 語

基于ZigBee電源監(jiān)控技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ烹娫锤鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進(jìn)行電源監(jiān)控以良好的可擴(kuò)展性、不受地理位置限制等優(yōu)勢(shì)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳國(guó)紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005，18（1）：3-5.

[4] 鄭霖，曾志民，萬濟(jì)萍，等. 基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器技術(shù)，2005.24（7）：86-88.

[5] 賈繼偉，蔡仁治，杜珉，等.通信電源的科學(xué)管理與集中監(jiān)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(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].1996.

ZigBee技術(shù)的特性包括以下幾個(gè)方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于數(shù)據(jù)低速率傳輸場(chǎng)景；

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

（3）低成本：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。且ZigBee 協(xié)議免收專利費(fèi)。

（4）抗干擾性強(qiáng)：在低信噪比的環(huán)境下，ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能；在相同的環(huán)境中，ZiBbee抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于藍(lán)牙和Wi-Fi；

（5）網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個(gè)設(shè)備；

（6）時(shí)延短：一般時(shí)延都在15 ms至30 ms之間；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供設(shè)備之間的安全連接；

（8）有效范圍靈活、布網(wǎng)容易：ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到幾千米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。另外，通過ZigBee無線路由器極大降低了ZigBee網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)及調(diào)試的難度和時(shí)間，并消除了無線通信死角。

4 典型應(yīng)用

ZigBee技術(shù)可能用于幾乎所有行業(yè)的低速率、短距離無線通信場(chǎng)景，隨著科技的發(fā)展，不斷被應(yīng)用于智能家居、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)控制裝置、智能交通、智能建筑、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中。

在一些危險(xiǎn)領(lǐng)域，例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)，火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)，都逐漸采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

5 結(jié) 語

基于ZigBee電源監(jiān)控技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ烹娫锤鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進(jìn)行電源監(jiān)控以良好的可擴(kuò)展性、不受地理位置限制等優(yōu)勢(shì)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳國(guó)紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005，18（1）：3-5.

[4] 鄭霖，曾志民，萬濟(jì)萍，等. 基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器技術(shù)，2005.24（7）：86-88.

[5] 賈繼偉，蔡仁治，杜珉，等.通信電源的科學(xué)管理與集中監(jiān)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(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].1996.

ZigBee技術(shù)的特性包括以下幾個(gè)方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于數(shù)據(jù)低速率傳輸場(chǎng)景；

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

（3）低成本：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。且ZigBee 協(xié)議免收專利費(fèi)。

（4）抗干擾性強(qiáng)：在低信噪比的環(huán)境下，ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能；在相同的環(huán)境中，ZiBbee抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于藍(lán)牙和Wi-Fi；

（5）網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個(gè)設(shè)備；

（6）時(shí)延短：一般時(shí)延都在15 ms至30 ms之間；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供設(shè)備之間的安全連接；

（8）有效范圍靈活、布網(wǎng)容易：ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到幾千米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。另外，通過ZigBee無線路由器極大降低了ZigBee網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)及調(diào)試的難度和時(shí)間，并消除了無線通信死角。

4 典型應(yīng)用

ZigBee技術(shù)可能用于幾乎所有行業(yè)的低速率、短距離無線通信場(chǎng)景，隨著科技的發(fā)展，不斷被應(yīng)用于智能家居、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)控制裝置、智能交通、智能建筑、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中。

在一些危險(xiǎn)領(lǐng)域，例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)，火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)，都逐漸采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

5 結(jié) 語

基于ZigBee電源監(jiān)控技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ烹娫锤鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進(jìn)行電源監(jiān)控以良好的可擴(kuò)展性、不受地理位置限制等優(yōu)勢(shì)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳國(guó)紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005，18（1）：3-5.

[4] 鄭霖，曾志民，萬濟(jì)萍，等. 基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器技術(shù)，2005.24（7）：86-88.

[5] 賈繼偉，蔡仁治，杜珉，等.通信電源的科學(xué)管理與集中監(jiān)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(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].1996.