王慶福

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110161）

基于ZigBee技術(shù)的電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王慶福

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110161）

隨著日常生活和生產(chǎn)中設(shè)備對(duì)用電的要求，電源的管理越來(lái)越重要，電源的穩(wěn)定性不僅影響設(shè)備的正常工作，還會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的安全隱患。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)電源要進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)和控制，電源監(jiān)控系統(tǒng)中終端設(shè)備單獨(dú)對(duì)電源模塊進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)電源的控制采用快速響應(yīng)繼電器來(lái)減少延遲，從而保證系統(tǒng)安全。本文提出了基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線模塊節(jié)點(diǎn)采用CC2430 芯片為核心，優(yōu)點(diǎn)是成本低、協(xié)議簡(jiǎn)單和組網(wǎng)容易等。

ZigBee；無(wú)線傳感網(wǎng)；電源監(jiān)控系統(tǒng)

1 ZigBee關(guān)鍵技術(shù)分析

ZigBee技術(shù)是基于IEEE的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的，ZigBee技術(shù)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE負(fù)責(zé)MAC層協(xié)議，ZigBee技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，ZigBee技術(shù)中的協(xié)調(diào)器可以連接254個(gè)節(jié)點(diǎn)，幾個(gè)協(xié)調(diào)器可以組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行擴(kuò)展，并且開發(fā)了相應(yīng)的安全協(xié)議，避免了ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的敏感信息通過(guò)安全漏洞進(jìn)行泄漏的問(wèn)題。ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)低成本、低功耗、近距離、短時(shí)延和高容量等。ZigBee無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、供電設(shè)備和數(shù)據(jù)處理四個(gè)部分，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的ZigBee技術(shù)中ZigBee節(jié)點(diǎn)采用了標(biāo)準(zhǔn)化制定，這樣更適合數(shù)據(jù)的可靠傳輸，操作的距離更短，功耗和成本更低等一系列優(yōu)點(diǎn)。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)區(qū)分不同的功耗實(shí)現(xiàn)最大程度的降低設(shè)計(jì)成本，并且對(duì)節(jié)點(diǎn)功率資源進(jìn)行合理的利用。ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)有15個(gè)信道，若干個(gè)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)分布在每個(gè)信道中，一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成每個(gè)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)分析，電源供電一旦出現(xiàn)短路、線路電流過(guò)大引起的設(shè)備發(fā)熱等電源工作異常問(wèn)題，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以我們要對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，采取必要的措施來(lái)保護(hù)線路，并查出問(wèn)題原因。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求要對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣，電源出現(xiàn)異常時(shí)要及時(shí)處理， 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單。監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要保證測(cè)量的精度，具有報(bào)警功能，無(wú)線通信功能，數(shù)據(jù)保存功能，組建的網(wǎng)絡(luò)要便于管理。根據(jù)電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，制定合理的設(shè)計(jì)方案，監(jiān)控系統(tǒng)組成分為上位機(jī)、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備三個(gè)部分。終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集電源參數(shù)數(shù)值和控制電源開關(guān)，終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器的通信是通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。協(xié)調(diào)器作為中間的傳輸媒介，協(xié)調(diào)器主要是把終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在把上位機(jī)的控制命令傳輸給終端設(shè)備，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的通信是通過(guò)串口進(jìn)行的。

終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集/保護(hù)模塊對(duì)電源設(shè)備的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的電壓數(shù)據(jù)主要是0-30V的數(shù)值，這些電壓數(shù)據(jù)的值通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)還可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制指令，并根據(jù)控制指令做出相應(yīng)的處理。路由器節(jié)點(diǎn)可以增加ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，保證整個(gè)電源監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)正常運(yùn)作，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換正確。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口把終端節(jié)點(diǎn)采集到的電源電壓的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并且可以接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，然后把命令信息發(fā)給與之相對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)上。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)信息的管理，包括數(shù)據(jù)信息的查詢、數(shù)據(jù)信息的處理、終端和路由節(jié)點(diǎn)的控制以及電源監(jiān)控系統(tǒng)的配置等。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分四層，分別是應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層和MAC層。按照Z(yǔ)igBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)把ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為三種類型，分別是Coordinator、Route和End Device 。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，本文在基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中選擇的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無(wú)論在哪一種ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)傳輸通道會(huì)按照Z(yǔ)igBee的協(xié)議算法來(lái)選擇最適合的路由路徑，這樣提高了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信速率。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

ZigBee監(jiān)控系統(tǒng)的組成主要有終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)兩部分。終端節(jié)點(diǎn)模塊由采集模塊和控制模塊組成。在終端節(jié)點(diǎn)模塊中電源的選擇主要采用 DH1718G-4 型直流穩(wěn)壓電源，保護(hù)模塊包括分壓電路，繼電器電路和蜂鳴器電路，繼電器的功能是過(guò)壓保護(hù)，繼電器作用主要是用來(lái)切斷電源與負(fù)載設(shè)備的連接，也可以恢復(fù)電源與負(fù)載設(shè)備的連接。蜂鳴器功能是報(bào)警，在電源過(guò)壓時(shí)候發(fā)出響聲并報(bào)警。終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)中，把二極管加入到繼電器驅(qū)動(dòng)電路里，這樣在繼電器斷電的瞬間，可以釋放掉繼電器線圈產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，從根本上保護(hù)了三極管。對(duì)zigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)，查看測(cè)試效果。把系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊按設(shè)計(jì)要求分別間隔10米放置并進(jìn)行連接，啟動(dòng)電源設(shè)備，系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)對(duì)電源電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的電源電壓數(shù)據(jù)每隔1秒通過(guò)zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)軟件，測(cè)試的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的存放到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中存在的綜合布線和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展等問(wèn)題，可以通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)得到很好的解決。有線連接方式是傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)常用的連接方式，所以在傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)比較多的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)布線施工困難、安裝工作繁瑣和系統(tǒng)維護(hù)的不方便等諸多問(wèn)題。采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)來(lái)組建電源監(jiān)控系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。ZigBee技術(shù)是新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在傳感器之間協(xié)調(diào)無(wú)線通信。

[1]宓霖.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器MAC層協(xié)議研究與硬件設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué).2015.

[2]史寧.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué).2016.

[3]孫皓月,呂國(guó),張梁,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù)，2014,38(1):113-115.

[4] 錢建波,于正永,何曉鳳.基于嵌入式遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].福建電腦，2010,26(3):128-129.

Design of power network monitoring system based on ZigBee wireless sensor network

Wang Qingfu
(Liaoning Academy of Governance, Shenyang Liaoning，110161)

With the daily life and production equipment for electricity demand, power management is more and more important, the power supply stability not only affect the normal work of the equipment, but also bring about the corresponding security risks Monitoring and control of power supply to be necessary in the design of the system, the monitoring system of power supply terminal equipment to separate power supply module for monitoring and control of the power supply by the rapid response of the relay to reduce the delay, so as to ensure the safety of the system This paper presents the software design and hardware design of power monitoring system based on ZigBee wireless sensor network In the system, the ZigBee wireless module node adopts CC2430 chip as the core, and it has the advantages of low cost, simple protocol and easy networking

ZigBee; wireless sensor network; power monitoring system