基于ZigBee技術(shù)的分布式智能在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

徐曉昂

摘 要近些年，隨著無線信息技術(shù)的快速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)的新型技術(shù)逐漸改變大眾的生活方式和習(xí)慣。從無線網(wǎng)絡(luò)角度來說，無線通信技術(shù)的使用重點在于提升傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量和距離，在工業(yè)控制、汽車、家庭數(shù)控網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域中。ZigBee技術(shù)是針對系統(tǒng)要求傳輸速率、低成本需求產(chǎn)生的，文中從ZigBee技術(shù)的關(guān)概念及優(yōu)點入手，基于該技術(shù)設(shè)計變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件，設(shè)計出實用性強、小型化的監(jiān)測系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】ZigBee技術(shù) 在線監(jiān)測系統(tǒng) 變電站

無線器網(wǎng)絡(luò)知識通過大量傳感器節(jié)點相互協(xié)調(diào)，節(jié)點采用隨機或特定的方法設(shè)計在目標(biāo)環(huán)境內(nèi)，獲得周圍環(huán)境下的信息并完成相應(yīng)的任務(wù)。

1 簡述ZigBee技術(shù)及其優(yōu)點

ZigBee是目前新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用來實現(xiàn)近距離無線連接。該技術(shù)采用無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個傳感器合理協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。上述傳感器只需少量的能力，由無線電波把信息由傳感器傳送到另一個傳感器，產(chǎn)生較高的通信效率。ZigBee技術(shù)具有成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、低能耗等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事偵察、家庭自動化等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)傳輸速率低，協(xié)議相對簡單，能在一定程度上降低運行成本。其網(wǎng)絡(luò)容量較大，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多能支持255個設(shè)備，換言之每個ZigBee設(shè)備能與254臺設(shè)備相互連接。ZigBee技術(shù)主要用于短距離且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各類電子設(shè)備中。

2 基于ZigBee技術(shù)設(shè)計變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體框架

ZigBee技術(shù)非常適用于投資少、網(wǎng)絡(luò)安全要求高、數(shù)據(jù)吞吐量小的場合，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家庭智能化、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域。變電站無線通信網(wǎng)絡(luò)建成后，在信號覆蓋區(qū)域任意角落均可連接無線網(wǎng)絡(luò)，說明ZigBee技術(shù)具有較強的可擴展性和靈活性。在變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)中，實時性是其另一項重要字表。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)增設(shè)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參與時間為30ms，節(jié)點由休眠至進(jìn)入狀態(tài)典型時延為15ms，滿足系統(tǒng)實時性要求。變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個部分，硬件由處理器、ZigBee傳輸模塊、圖像及溫濕度采集等模塊組成。其中，ZigBee模塊主要用來將溫濕度信息。變電站場景等信息上傳至控制中心。

2.2 合理設(shè)計硬件各模塊

2.2.1 挑選恰當(dāng)?shù)奶幚砥?/p>

該設(shè)計系統(tǒng)要求CPU必須具備高速的數(shù)字信號處理能力，必須對接收的溫濕度信息、圖像信息等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成變電站在線監(jiān)測的效果。本次設(shè)計采用TMS320VC5509數(shù)字信號處理芯片為中心處理器，該芯片是一種性價比高的DSP芯片，其采用1.6V核心電壓及3.3V外圍接口電壓，最低能支持0.9V核心電壓運行。

2.2.2 設(shè)計圖像采集模塊

圖像采集模塊主要負(fù)責(zé)實施收集變電站場景信息，該系統(tǒng)使用OV7670型號的圖像傳感器，其是一種體積小、成本低、功耗低的嵌入式單片圖像傳感器，工作電控控制在2.45～3.0V。

2.2.3 設(shè)計溫濕度采集模塊

因本次研究的重點不是傳感器，因此，本系統(tǒng)只采用一個溫濕度傳感器采集該變電站溫濕度數(shù)據(jù)，隨之借助無線收發(fā)模塊傳送至主節(jié)點上。傳統(tǒng)的溫濕度傳感器通常需要涉及信號調(diào)理電路并由復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程中，因此，無法保障測量的準(zhǔn)確度。文中采用某公司推出的新型溫濕度傳感器，該傳感器把CMOS芯片技術(shù)和傳感器技術(shù)合理結(jié)合，有效發(fā)揮兩者的互補優(yōu)勢。該溫濕度采集模塊主要負(fù)責(zé)及時采集溫濕度信息，本系統(tǒng)挑選瑞士公司生產(chǎn)的SHT11型號溫濕度傳感器，該傳感器工作電壓控制在2.4～5.5V，其測量精度高、穩(wěn)定性更強。

2.2.4 設(shè)計ZigBee模塊

該模塊主要功能是將溫度信息、變電站場景等信息傳遞至上位機管理系統(tǒng)內(nèi)。本系統(tǒng)使用CC2530芯片作為ZigBee模塊的核心，該模塊設(shè)計可編程內(nèi)存、高性能RF收發(fā)器、低功耗的8051內(nèi)核。

2.2.5 設(shè)計RS232串口電路

設(shè)計合理的RS232串口能實現(xiàn)芯片與ZigBee模塊實現(xiàn)實時通信。本系統(tǒng)使用某公司生產(chǎn)的MAX3232轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是一種標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)系統(tǒng)，工作電壓控制為3.0～5.5V。

2.3 設(shè)計系統(tǒng)軟件

變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由微處理器程序、射頻收發(fā)模塊、初始化程序等部分組成，初始化程序主要用來對轉(zhuǎn)換器、射頻芯片等設(shè)備實施初始化操作。發(fā)射程序把創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包借助單片機接口傳送至收發(fā)模塊并及時輸出。接收程序準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)后，并給予針對性處理。如果系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，創(chuàng)建并成功實施網(wǎng)絡(luò)連接后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)開始傳送溫濕度等模塊收集的數(shù)據(jù)信息。信息傳送完成后，上位機管理系統(tǒng)實施對數(shù)據(jù)展開分析和處理，從而達(dá)到實時檢測變電站信息的目的。在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖1。

3 結(jié)束語

總之，文中根據(jù)變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的具體需求，分析傳統(tǒng)有線連接網(wǎng)絡(luò)的不足之處，闡述ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點，針提出采用無線網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，并將該設(shè)計廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

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作者單位

江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 江蘇省南京市 210007