ZigBee技術(shù)在電壓監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁 也， 范會爽， 陳雨晴， 徐旭強(qiáng)， 高 哲

(遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，沈陽 110036)

·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

ZigBee技術(shù)在電壓監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁 也， 范會爽， 陳雨晴， 徐旭強(qiáng)， 高 哲

(遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，沈陽 110036)

為了實(shí)現(xiàn)大型工廠或社區(qū)電壓檢測的網(wǎng)絡(luò)化管理，采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了電壓無線通信監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)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(fā)監(jiān)測預(yù)警平臺，收集由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)的采集數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)采集電壓數(shù)據(jù)，繪制實(shí)時(shí)圖像以及超標(biāo)報(bào)警的功能。利用IAR集成開發(fā)環(huán)境，通過使用Z-Stack協(xié)議?？刂芞igBee網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)ZigBee模塊，以實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建以及對電壓數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)接收功能。

ZigBee技術(shù)； 無線通信； 電壓采集； 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)； 網(wǎng)絡(luò)管理

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛發(fā)展，導(dǎo)致無線低速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)如ZigBee、藍(lán)牙、超寬帶等短距離通信規(guī)范競相問世[1]。ZigBee無線通信技術(shù)以近距離，傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km；低功耗，在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)吞吐率滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；低成本，通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32 KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利，每塊芯片的價(jià)格約為2美元的特點(diǎn)被運(yùn)用得越來越廣泛[2-6]。

目前，我國現(xiàn)階段廣泛使用的電壓監(jiān)測報(bào)警設(shè)備體積大、成本高、耗能高、可靠性低、網(wǎng)絡(luò)化程度低[8]，無法完全適應(yīng)如今大型工廠、電廠等大型建筑的電壓監(jiān)測任務(wù)[9]。因此，實(shí)現(xiàn)目前急需解決的問題便是使監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、低成本化。

為了實(shí)現(xiàn)大型工廠電壓監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化管理，本文設(shè)計(jì)了一種電壓監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)將ZigBee無線傳輸技術(shù)與PC機(jī)端電壓監(jiān)控報(bào)警程序相結(jié)合。通過ZigBee無線傳輸技術(shù)組建由終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)—路由器節(jié)點(diǎn)—協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成的分層次網(wǎng)絡(luò)，并將終端傳感器網(wǎng)絡(luò)化分布于整個(gè)監(jiān)控監(jiān)測區(qū)域從而構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采集平臺。利用Z-Stack協(xié)議棧中的無線收發(fā)功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)從終端至協(xié)調(diào)器的無線傳輸功能。協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析、處理并通過串口網(wǎng)絡(luò)將信息傳給PC端監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺中心實(shí)時(shí)獲取并分析所收集數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)并繪制出電壓實(shí)時(shí)變化圖像。

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種雙向無線通信技術(shù)，包含3種設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備[10]。其中，協(xié)調(diào)器作為所搭建網(wǎng)絡(luò)的中心；路由器功能為收發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)、允許其他節(jié)點(diǎn)通過它接入網(wǎng)絡(luò)；終端設(shè)備功能為收發(fā)數(shù)據(jù)以及控制外圍設(shè)備[11]。系統(tǒng)選用的ZigBee模塊為CC2530F256。

1.2 CC2530方案

CC2530是一種片上系統(tǒng)解決方案，適用于IEEE 802.15.4、2.4 GHz ZigBee技術(shù)[12]。實(shí)驗(yàn)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(fù)雜協(xié)議棧應(yīng)用，結(jié)合德州儀器(TI)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，使得用戶可以擁有一個(gè)強(qiáng)大完整的ZigBee解決方案[13]。CC2530F256芯片內(nèi)置射頻前端CC2520模塊，使得RF模塊的無線信號收發(fā)能力得到了增強(qiáng)；采用QFN40封裝，編程輸出功率最大可達(dá)到4.5 dBm；芯片面積和引腳數(shù)都小于CC2430的QLP48封裝，既增強(qiáng)了性能又降低了芯片功耗[14]。

1.3 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議由兩部分組成，第一部分是物理層和介質(zhì)訪問控制層(Medium Access Control Layer，MAC)，由IEEE 802.15.4定義；第二部分是網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層，由ZigBee聯(lián)盟定義技術(shù)規(guī)范[15]。ZigBee協(xié)議棧就是集各個(gè)層定義的協(xié)議于一身。協(xié)議棧以函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)ZigBee功能，而且在協(xié)議棧中還為用戶提供了應(yīng)用程序編程接口，來滿足用戶的需求[16]。服務(wù)接入點(diǎn)是各層之間進(jìn)行通信的通道。作為ZigBee協(xié)議底層的物理層與MAC層，選擇信道和合法的個(gè)域網(wǎng)地址(Personal Area Network ID，PANID)是其主要功能[17]，建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接是網(wǎng)絡(luò)層的主要功能。應(yīng)用支持子層(Application Support Sub Layer，APS)、ZigBee設(shè)備對象和ZigBee應(yīng)用框架共同構(gòu)建ZigBee應(yīng)用層[18]。其中，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收是由APS通過應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問接口實(shí)現(xiàn)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)部分需將得到的信息處理分析繪制圖像，上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境選擇Visual Basic 6.0；下位機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境選擇IAR7.60，在 Z-STACK-2.4.01.4.0 協(xié)議?；A(chǔ)上編寫應(yīng)用層程序。所需軟件開發(fā)環(huán)境有：IAR Embeded Workbench、燒寫工具Flash Programer。

上位機(jī)為信息接收處理部分;下位機(jī)為信息檢測發(fā)送部分。上位機(jī)由協(xié)調(diào)器接收并向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)進(jìn)而通過運(yùn)行監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警功能。下位機(jī)由電壓傳感器、終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能。監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.1 報(bào)警系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)具有類似的基本結(jié)構(gòu)，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(yùn)算通用放大器搭建的雙運(yùn)放電壓比例運(yùn)算電路。通過調(diào)用Z-Stack協(xié)議棧函數(shù)并導(dǎo)入ZigBee模塊嵌入式系統(tǒng)使得節(jié)點(diǎn)可以正常工作。協(xié)調(diào)器主要用于組建網(wǎng)狀的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。在終端監(jiān)測設(shè)備節(jié)點(diǎn)中，外圍由GPIO口中的某一個(gè)接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用P0.5，連接交流電壓傳感器組成電壓信號采集設(shè)備。

終端設(shè)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(zhuǎn)換電路，電壓轉(zhuǎn)換電路將0～5 V電壓轉(zhuǎn)換為0～3 V電壓以符合終端模塊內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊要求，終端內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊將此模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，再經(jīng)過底板微處理器完成對數(shù)據(jù)的打包處理后，通過CC2530射頻芯片發(fā)送出去。為了模擬被檢測系統(tǒng)電壓變化情況，防止電壓超過送電線路要求發(fā)生安全性問題，本實(shí)驗(yàn)采用手調(diào)電壓器代替負(fù)載。下位機(jī)設(shè)備如圖2所示。

圖2 下位機(jī)設(shè)備圖

2.2 報(bào)警系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)由 Visual Basic 6.0編譯而成，在編譯上位機(jī)程序時(shí)，首先對ZigBee數(shù)據(jù)格式、串口選擇、波特率選擇的代碼進(jìn)行分析，然后利用VB內(nèi)置函數(shù)及插件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、處理和圖像繪制功能。由協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺進(jìn)行信息分析、處理，繪制圖像。上位機(jī)程序流程圖如圖3所示。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組建

系統(tǒng)中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開始工作后協(xié)調(diào)器首先根據(jù)程序預(yù)先設(shè)定的信道和PANID建立無線網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)過程如圖4所示。

然后，終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備與路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過檢測發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)，提出申請加入該無線網(wǎng)絡(luò)，并獲得唯一的地址編號，終端組網(wǎng)過程如圖5所示。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)建立好后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)把采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)打包后，不間斷重復(fù)地發(fā)送至協(xié)調(diào)器。同時(shí)，協(xié)調(diào)器通過USB數(shù)據(jù)線與PC機(jī)構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳分析與定位功能。

圖3 上位機(jī)程序流程圖

圖4 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖

圖5 終端設(shè)備組網(wǎng)流程圖

3 報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)中，采用了1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和3個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成星型網(wǎng)絡(luò)。在完成對每1個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了功能測試后，啟動IAR軟件，編寫程序并編譯成可執(zhí)行文件，通過仿真器將程序燒錄至每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

協(xié)調(diào)器采用自啟動模式，初始化通過除去HOLD_ AUTO_START來完成協(xié)調(diào)器自啟動的設(shè)定。協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立成功后作為網(wǎng)絡(luò)建立成功的標(biāo)志ZDO_STATE_CHANGE事件被觸發(fā)；終端也采用自啟動模式，節(jié)點(diǎn)在初始化時(shí)通過對網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest()的調(diào)用來加入網(wǎng)絡(luò)并將網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，作為入網(wǎng)成功的標(biāo)志ZDO_STATE_CHANGE事件被觸發(fā)。上電后通過觀察協(xié)調(diào)器設(shè)備上的D3燈來判斷組網(wǎng)是否成功，協(xié)調(diào)器D3燈熄滅表明組網(wǎng)成功，路由器和終端設(shè)備上D3熄滅時(shí)說明入網(wǎng)成功。當(dāng)開發(fā)板上RX、TX指示燈開始閃爍時(shí)，表示實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，即可開展實(shí)驗(yàn)測試。

線路電壓正常情況下，終端設(shè)備上D1、D2燈為長亮狀態(tài)。ZigBee的自組網(wǎng)功能啟動，整個(gè)監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器建立并管理整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，為各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同的IP地址。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上通過電壓轉(zhuǎn)換電路連接的交流電壓傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行電壓監(jiān)測，并將電壓的實(shí)時(shí)信號參數(shù)通過路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)或直接送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控平臺。

打開上位機(jī)監(jiān)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(jīng)由終端節(jié)點(diǎn)打包發(fā)送出后由協(xié)調(diào)器接收到并通過USB發(fā)送到上位機(jī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、判斷，然后繪制出電壓/時(shí)間圖像。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況如圖6中線路1～4所示。當(dāng)線路電壓出現(xiàn)變化情況，電壓突然出現(xiàn)峰值，電壓傳感器及時(shí)將信息收集并提供給終端ZigBee節(jié)點(diǎn)，平臺實(shí)時(shí)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(tǒng)發(fā)出報(bào)警并發(fā)送警告給巡查人員，提示監(jiān)控室值班人員有突發(fā)情況出現(xiàn)。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

4 結(jié) 語

基于ZigBee技術(shù)與傳感器的網(wǎng)絡(luò)化無線通信監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，利用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)來傳輸傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測的至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析快速報(bào)警定位的目的。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控管理電壓突變的突發(fā)情況，快速有效地做出應(yīng)對措施反應(yīng)。在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，大型公建的監(jiān)測平臺網(wǎng)絡(luò)化正在一步步推進(jìn)，而基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)正好順應(yīng)了當(dāng)今時(shí)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(yīng)用前景。

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Application of ZigBee Technology for Electricity Monitoring Alarm System

DINGYe，F(xiàn)ANHuishuang，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(xué)基金(61304094)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015194)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)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?jǐn)?shù)階控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，復(fù)雜電力系統(tǒng)控制。

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

TP 274.2；TP 277

A

1006-7167(2017)04-0004-04