基於ZigBee無線網絡的電源電壓監控系統

2020-12-15 電子產品世界

傳統電源監控系統多採用有線連接方式。當監控節點較多時，就存在著安裝困難、布線繁瑣及維護不便等問題。採用基於ZigBee 技術的無線傳感器網絡來組建這種電源監控系統，即可解決上述種種問題。現介紹ZigBee 技術的工作原理及實時監控系統的設計。

ZigBee 協議棧結構由物理層、MAC 層、網絡層和應用層組成。ZigBee 標準規定，所有的ZigBee網絡節點分為Coordinator、Route、End Device 這3種類型。不論ZigBee 網絡採用何種拓撲方式，網絡會自動按照ZigBee 協議算法選擇較好的路由路徑作為數據傳輸通道，以提高通訊效率。

1 監控系統設計

1.1 系統結構設計

基於ZigBee 無線網絡的電源電壓監控系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框

終端節點通過採集/保護模塊採集電源設備0~30 V 的電壓數據，通過路由器節點發送給協調器節點，同時還要接收協調器的控制命令並作相應處理；路由器節點在系統中的主要任務是數據中轉，確保協調器節點與終端節點間的數據交換正確，增加了ZigBee 網絡的覆蓋範圍；協調器節點一方面接收終端節點採集到的電源電壓數據，並把該數據通過串口發送給上位機，另一方面接收上位機的命令信息，然後發送給對應的終端節點；上位機實現對監控設備狀態信息的管理，包括系統配置、實時狀態顯示、節點控制、數據處理及數據查詢等。

1.2 網絡拓撲選擇

ZigBee 網絡具有3 種拓撲形式：星形拓撲、樹形拓撲、網狀拓撲。文中設計的監控系統選擇網狀拓撲作為系統拓撲結構。

　　2 ZigBee 監控系統的硬體設計

監控系統主要由路由器節點和終端節點組成。

終端節點的硬體結構框圖如圖2 所示。

終端節點模塊由採集和控制兩部分組成。電源採用DH1718G-4 型直流穩壓電源。將電源電壓0~30 V使用1/10 電阻分壓變為CC2430 片內AD 採集0~3 V電壓；保護模塊又包括繼電器和蜂鳴器電路兩部分，繼電器用於切斷或恢復電源與負載設備的連接，起到過壓保護的作用，蜂鳴器在電源過壓時響起，起報警作用。其中，在繼電器驅動電路裡加入二極體用於在繼電器斷電瞬間將繼電器線圈產生的較大的反向電動勢釋放掉，起到保護三極體的作用。

圖2 終端節點的硬體結構框

3 ZigBee 監控系統的軟體設計

3.1 Z-Stack 的軟體架構及定製

ZigBee 無線網絡節點的軟體開發平臺採用IAREmbedded Workbench V7.30B for 8051 （ IAR EW）集成開發環境。ZigBee 無線模塊的軟體系統協議棧採用作業系統的思想來構建，採用"事件輪詢"機制，當各層初始化之後，系統進入低功耗模式。當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束後繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，判斷優先級，逐次處理事件。整個Z-Stack 的主要工作流程大致分為：系統啟動，驅動初始化，OSAL初始化和啟動，進入事件輪詢階段。

3.2 協調器節點的軟體設計

協調器在系統中的作用是，建立並管理ZigBee網絡，自動允許其他節點加入網絡的請求，收集終端節點傳來的電壓數據，並通過串口將數據發送給上位機，同時接收上位機的控制命令，再將命令發送給終端節點控制其採取相應的處理措施。協調器建立網絡並處理節點請求的程序流程如圖3 所示。

圖3 協調器建立網絡流程

3.3 路由器節點軟體設計

路由器節點在系統中的作用是路由選擇和數據轉發。ZigBee 設備有兩種類型的地址。一種是64位IEEE 地址（也稱為MAC 地址或擴展地址）；另一種是16 位網絡地址（也稱為邏輯地址或短地址）。

ZigBee 使用一個分布式的編址方案來分配網絡地址。該方案確保了所有被分配的網絡地址在整個網絡中是唯一的。路由器建立網絡的程序流程如圖4 所示。

圖4 路由器建立網絡流程

3.4 終端節點軟體設計

終端節點在系統中的作用是採集電源電壓數據，並通過與協調器建立"綁定"將電壓數據發送給協調器，同時接收協調器發來的控制命令，控制採集/保護模塊中的繼電器和蜂鳴器做出相應的操作。在終端節點以終端的身份啟動並加入網絡後，即開始與協調器建立綁定。一旦一個綁定被創建，終端節點就可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發送數據。其與協調器建立綁定及電壓數據傳遞的完整程序流程如圖5 所示。

圖5 建立綁定及電壓數據傳遞流程

4 上位機的軟體設計

4.1 界面總體設計

本系統的上位機軟體採用 NI 公司推出的面向測控領域的LabWindows/CVI 軟體作為開發平臺。

它實現的主要功能有：通過串口接收ZigBee 無線網絡傳來的被監控電源的電壓數據，將該數據分別以文本及波形圖的方式實時顯示出來；設置電壓警戒值及控制方式等，實現電源電壓無線監控系統的自動或手動控制；通過連接後臺資料庫，將電壓及報警信息儲存在資料庫中，方便在上位機界面上對報警記錄的查詢和日後對監控數據信息的管理等[8].

界面的總體設計如圖6 所示。

圖6 上位機界面總體效果

4.2 界面資料庫功能的設計

本系統為上位機軟體加入資料庫功能。這裡採用微軟的Access 資料庫作為後臺資料庫，對監測數據進行記錄和管理。LabWindows/CVI 提供了資料庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit.工具包裡包含了一個用來完成一般資料庫任務的高級函數集。

5 系統運行測試

將各個模塊連接好，分別間隔10 m 放置好後，首先打開電源設備，隨後終端節點開始採集電源電壓數據，並每隔1 s 將數據經ZigBee 網絡發給上位機軟體。當電壓低於10 V 時，界面顯示如圖7 所示。

此時監測數據已實時地存入後臺資料庫中，當需要查詢以往保存過的報警記錄時，點擊界面上的"資料庫記錄查詢"標籤，在下方輸入想查詢數據的日期，點擊確定後，查詢結果即會以表格形式顯示出來。

圖7 電壓安全狀態時界面顯示

6 結語

文中給出了一種針對電源監控系統的ZigBee 無線傳感器網絡的軟硬體設計方案，解決了有線網絡存在的布線、維護和擴展性等眾多問題。系統把以CC2430 晶片為核心的ZigBee 無線模塊作為節點，具有協議簡單、成本低、功耗小、組網容易等優點。

經試驗證明，系統可以很好的完成電源數據的採集、傳輸


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