基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉亞麗，張紅濤

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基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉亞麗，張紅濤

（海軍士官學(xué)校，安徽蚌埠233012）

船用電氣設(shè)備類(lèi)型數(shù)量多，安裝部位分散，相應(yīng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置往往受布線和電源限制，布設(shè)難度大，維護(hù)繁瑣，難以大量使用。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。給出了相應(yīng)的采集電路，基于Zigbee芯片C2530-F256的模塊接口電路和電源電路設(shè)計(jì)。根據(jù)船舶環(huán)境特點(diǎn)，分析選擇了Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，設(shè)計(jì)了應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，最后給出了相應(yīng)的軟件工作流程。該系統(tǒng)布設(shè)靈活，使用方便，可有效提升船舶電氣設(shè)備的整體管理水平。

Zigbee 電氣設(shè)備 運(yùn)行狀態(tài) 監(jiān)測(cè)

0 引言

船舶上各類(lèi)電氣設(shè)備大多工作在高溫，震動(dòng)，高壓，大電流等惡劣環(huán)境，動(dòng)作頻繁，很容易發(fā)生各類(lèi)故障。一方面，目前針對(duì)船舶電氣設(shè)備的故障診斷大多僅停留在基于單個(gè)設(shè)備故障現(xiàn)象的研究和分析，往往缺少設(shè)備或關(guān)聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)支持，而隨著故障診斷方法的不斷智能化，必然需要大量的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息作為診斷依據(jù)[1]；另一方面，船舶上各個(gè)電氣設(shè)備分艙室布置，安裝部位分散，采用有線方式傳輸監(jiān)測(cè)信息將在實(shí)際線路布設(shè)中遇到困難。近幾年來(lái)，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)也逐漸發(fā)展為采用基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式。其中Zigbee就是一種典型的短距離無(wú)線通信技術(shù)，與藍(lán)牙（Blue Tooth）、無(wú)線局域網(wǎng)（WiFi）等相比具有組網(wǎng)靈活，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大的特點(diǎn)，但考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率低，目前僅大多應(yīng)用于溫濕度監(jiān)測(cè)[2, 3]，使用效益較低，但實(shí)際上Zigbee理論傳輸速率為250 kbps，即使在干擾狀態(tài)下實(shí)測(cè)傳輸速率仍可達(dá)300 bps以上[4, 5]，通過(guò)合理安排數(shù)據(jù)幀和傳輸協(xié)議等方法，可以有效擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的物理量類(lèi)型。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的分布式電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)船舶各類(lèi)電氣設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、記錄和存儲(chǔ)，從而為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估和故障診斷提供有效地?cái)?shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

船舶上的電氣設(shè)備需要采集的數(shù)據(jù)主要包括繼電器、熔斷器和接觸器等開(kāi)關(guān)量狀態(tài)、動(dòng)作時(shí)間，三相交流負(fù)載電壓和電流、關(guān)鍵元件的線圈溫度，控制箱內(nèi)濕度等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要由PC端狀態(tài)監(jiān)控臺(tái)、Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、帶路由功能的采集終端和采集終端組成。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和帶路由器采集終端都包括Zigbee全功能設(shè)備FFD（Full Function Device）[5]，用于構(gòu)成Zigbee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和配置，并可通過(guò)RS422或CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC端狀態(tài)監(jiān)控臺(tái)。帶路由器采集終端一方面可用于擴(kuò)展Zigbee網(wǎng)絡(luò)，另一方面可進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，而采集終端則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并只向路由器傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

帶路由器采集終端硬件部分主要包括微處理器，采集電路、外圍電路及Zigbee網(wǎng)絡(luò)全功能設(shè)備。采集電路主要有交流電壓采集模塊，交流電流采集模塊，開(kāi)關(guān)量和溫濕度采集模塊，外圍電路主要有晶振電路，時(shí)間基準(zhǔn)電路和SD卡存儲(chǔ)電路等。而采集終端與帶路由器采集終端基本相同，由于無(wú)需進(jìn)行路由擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，僅與帶路由器采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，故此處可將Zigbee網(wǎng)絡(luò)全功能模塊精簡(jiǎn)為簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）[5]。

構(gòu)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)的模塊采用TI公司的CC2530芯片，為配合CC2530擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，采用CC2591功放芯片構(gòu)建工作頻率為2.4GHz的射頻前端，通過(guò)CC2591功放芯片，發(fā)射的輸出功率可提高+22dBm，接收靈敏度可提高+6dBm[5]，可有效擴(kuò)大Zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作范圍。MCU則采用內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器的PIC16F877A微處理器，完成時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)采集和處理，并將結(jié)果經(jīng)URAT接口與CC2530芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。整個(gè)終端為保證可靠記錄，可不依賴(lài)交流電源，采用內(nèi)置電池電源設(shè)計(jì)，利用取能電路進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換和電池充放電管理。帶路由采集終端的整體硬件組成框圖如圖2所示。

2.1 采集模塊設(shè)計(jì)

交流電壓采集模塊采用WB3U412U01型交流電壓傳感器構(gòu)建，將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓輸出，輸出的直流電壓為0～5 V，可直接送入MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換采集。

當(dāng)輸入電壓為380 V時(shí)，其輸入阻抗可達(dá)300 k以上，對(duì)被測(cè)電路影響可基本忽略，模塊的輸入與輸出之間隔離電壓大于2.5 kV，可避免交流電網(wǎng)對(duì)后端采集電路的影響[6]。交流電流的采集采用WB3I414U31型電流傳感器，輸入端為穿心感應(yīng)方式，與被測(cè)電路無(wú)直接接觸，布設(shè)方便。

電流傳感器模塊將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流輸出，為提高電流傳感器輸出阻抗，電流傳感器輸出端由標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，先經(jīng)過(guò)由運(yùn)放構(gòu)成的射極跟隨器，再接入到MCU的數(shù)據(jù)采集口進(jìn)行采樣。

采集的開(kāi)關(guān)量為交流電流的通斷狀態(tài)信號(hào)，采用穿孔式的交流電流越限隔離變送傳感器CE-IJ03，將交流電流的通斷狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量。模塊的輸入和輸出的隔離耐壓值大于2.5 kV，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間小于200 ms，能夠迅速反應(yīng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，也避免了采集電路對(duì)被測(cè)電路的影響。電路中設(shè)計(jì)了四路通道的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)采集，同時(shí)也可根據(jù)需要，進(jìn)一步擴(kuò)展相應(yīng)的采集通道。

設(shè)計(jì)中采用經(jīng)典的AM2301濕敏電容模塊采集溫濕度，模塊包括已校準(zhǔn)的數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器，與MCU連接采用單總線(one-wire)接口，硬件開(kāi)銷(xiāo)需求少，響應(yīng)快，性價(jià)比高。采集模塊的硬件連接如圖3所示。

2.2 Zigbee模塊接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中Zigbee采用TI公司的CC2530-F256芯片構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，CC2530-F256的供電電壓為2 V到3.6 V，功耗極低，支持IEEE802.15.4的2.4 GHz RF收發(fā)器，僅需很少的外接元件就可以建立起極高接收靈敏度和具有抗干擾能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[7]。

Zigbee模塊CC2530-F256與MCU即PIC16F877A通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。由于CC2530-F256采用低功耗設(shè)計(jì)，工作電壓在3.3 V，而MCU工作電壓是5 V，兩者工作電壓不匹配，不能直接連接，為保證Zigbee模塊與MCU通過(guò)串口能進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交互，利用三極管對(duì)通訊接口電壓進(jìn)行匹配，保證兩者都能工作在正常范圍之內(nèi)。相應(yīng)的接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3 電源設(shè)計(jì)

為便于終端節(jié)點(diǎn)的布設(shè)，無(wú)需另外加設(shè)供電線路，最為實(shí)用的方式就是利用電磁感應(yīng)原理，從高電位的電氣設(shè)備電纜中獲取電能用于內(nèi)置鋰電池的充電[8]，從而維持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)終端工作。

圖4. Zigbee模塊與MCU接口電路

設(shè)計(jì)采用互感式取能線圈從交流電纜中獲取電能，后端逐級(jí)由瞬態(tài)抑制二極管的沖擊保護(hù)電路，整流濾波電路，電源管理電路等部分組成，其中電源管理部分包括可充鋰電池的充放電控制和DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換。由于后端的Zigbee和相關(guān)控制及采集電路的工作電流均為幾毫安到幾十毫安，整體功耗不高，因此，取能線圈與可充鋰電池的組合電源設(shè)計(jì)可以滿足負(fù)載需求。電源部分的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖5所示。

3 分布系統(tǒng)的拓?fù)溥x擇

Zigbee網(wǎng)絡(luò)定義了星狀、簇（樹(shù)）狀和網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，簇狀結(jié)構(gòu)由若干個(gè)星狀結(jié)構(gòu)組成，兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)是串接的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)便但穩(wěn)健性不足，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與簇狀結(jié)構(gòu)的不同在于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的任意路由之間可以直接交互數(shù)據(jù)。

對(duì)于沒(méi)有金屬障礙的理想空間而言，星狀結(jié)構(gòu)或簇狀結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，其中簇狀結(jié)構(gòu)還可以逐級(jí)擴(kuò)展延伸。但在實(shí)際應(yīng)用中，船舶的電氣設(shè)備往往分布安裝于各個(gè)艙室，金屬艙室對(duì)無(wú)線信號(hào)具有屏蔽或衰減作用，容易導(dǎo)致通訊障礙。因此，考慮到船舶艙室內(nèi)部布設(shè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)冗余性，信息交互的靈活性和通訊的可靠性，采用網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合適。特別是在艙室與艙室間的信號(hào)重疊區(qū)域，合理的增加布設(shè)帶路由器采集終端，即使一個(gè)節(jié)點(diǎn)因?yàn)樾盘?hào)屏蔽或衰減而無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Zigbee網(wǎng)絡(luò)也可以重新選擇新路徑，在各個(gè)帶路由器采集終端間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，繞開(kāi)問(wèn)題區(qū)域，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循最低復(fù)雜度的原則，但同時(shí)需要在信道的傳輸中保證足夠的健壯性，因此，在物理層、介質(zhì)范圍控制層和網(wǎng)絡(luò)層中，用于網(wǎng)絡(luò)建立，信標(biāo)發(fā)送，狀態(tài)確認(rèn)和命令傳遞等功能幀可直接沿用Zigbee規(guī)范。

本設(shè)計(jì)中，雖然在應(yīng)用層發(fā)起信息交互的數(shù)據(jù)幀有效負(fù)載是可變的，但是受物理層實(shí)際有效載荷限制，同時(shí)避免或減少分幀傳輸，加快數(shù)據(jù)傳遞速率，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)幀負(fù)載數(shù)據(jù)量。其中，物理層除去自行添加的同步頭和物理層報(bào)頭外，最大有效負(fù)載為127字節(jié)，介質(zhì)范圍控制層開(kāi)銷(xiāo)為9～25字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)層開(kāi)銷(xiāo)為8～25字節(jié)，應(yīng)用層自身開(kāi)銷(xiāo)為10字節(jié)，此時(shí)，按照各層最大開(kāi)銷(xiāo)計(jì)算，應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的有效負(fù)載不超過(guò)67字節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集類(lèi)型和數(shù)量的需求，設(shè)計(jì)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示，前10個(gè)字節(jié)為應(yīng)用支持子層的幀頭，包括尋址字段和計(jì)數(shù)器；數(shù)據(jù)負(fù)載為24字節(jié)，其中傳輸?shù)臅r(shí)標(biāo)信息和采集數(shù)據(jù)為21字節(jié)，并預(yù)留3字節(jié)擴(kuò)展使用。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)和組建網(wǎng)絡(luò)并向監(jiān)控PC端上傳數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行串口初始化和Zigbee網(wǎng)絡(luò)初始化，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)后，前端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器需分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，獲取相應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，提交至PC端監(jiān)控軟件處理。本系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程如圖9所示。

對(duì)于帶路由器采集終端而言，首先需要對(duì)單片機(jī)、Zigbee模塊及各個(gè)功能模塊電路進(jìn)行初始化設(shè)置，讀取時(shí)鐘芯片中時(shí)標(biāo)信息，配置SPI端口，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)等。初始化完成后，建立和打開(kāi)相應(yīng)記錄文件，查找并與Zigbee網(wǎng)絡(luò)建立連接，定時(shí)采集相關(guān)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后不斷將檢測(cè)采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件并打上時(shí)標(biāo)，并經(jīng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。采集終端只需與帶路由器采集終端通訊，其軟件工作流程可相應(yīng)簡(jiǎn)化。帶路由器采集終端的軟件流程如圖10所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)船舶電氣設(shè)備分布式監(jiān)測(cè)需求特點(diǎn)，充分利用了Zigbee網(wǎng)絡(luò)功耗低、容量大、自組網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可實(shí)時(shí)采集各類(lèi)船舶電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中電流、電壓、接觸器或繼電器的開(kāi)關(guān)量，工作環(huán)境參量等狀態(tài)信息，以時(shí)間標(biāo)記各類(lèi)過(guò)程數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在大容量SD卡中，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端進(jìn)行分析處理，便于設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和回溯查詢。該系統(tǒng)的應(yīng)用無(wú)需另外連接通訊電纜，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)性好，終端布設(shè)靈活，使用不影響原電氣設(shè)備正常工作，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線自動(dòng)化，可有效提升船舶電氣設(shè)備的整體管理水平，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。在后續(xù)工作中，還需要進(jìn)一步開(kāi)展由于設(shè)備艙室分割，無(wú)線通信鏈路非對(duì)稱(chēng)性等不利因素對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定性影響的研究。

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Design of Monitoring System for Marine Distributed Electrical Equipment Running Status Based on Zigbee Technology

Liu Yali, Zhang Hongtao

（Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China）

U666.1

A

1003-4862（2017）11-0048-06

2017-08-15

劉亞麗（1981-），女，講師，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。