基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線連接方式。當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，就存在著安裝困難、布線繁瑣及維護(hù)不便等問題。采用基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來組建這種電源監(jiān)控系統(tǒng)，即可解決上述種種問題?，F(xiàn)介紹ZigBee 技術(shù)的工作原理及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為Coordinator、Route、End Device 這3種類型。不論ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用何種拓?fù)浞绞剑W(wǎng)絡(luò)會自動按照ZigBee 協(xié)議算法選擇較好的路由路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道，以提高通訊效率。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

終端節(jié)點(diǎn)通過采集/保護(hù)模塊采集電源設(shè)備0~30 V 的電壓數(shù)據(jù)，通過路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還要接收協(xié)調(diào)器的控制命令并作相應(yīng)處理；路由器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，確保協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換正確，增加了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一方面接收終端節(jié)點(diǎn)采集到的電源電壓數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)，另一方面接收上位機(jī)的命令信息，然后發(fā)送給對應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)信息的管理，包括系統(tǒng)配置、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、節(jié)點(diǎn)控制、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)查詢等。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有3 種拓?fù)湫问剑盒切瓮負(fù)?、樹形拓?fù)洹⒕W(wǎng)狀拓?fù)?。文中設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)選擇網(wǎng)狀拓?fù)渥鳛橄到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　2 ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。

終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

終端節(jié)點(diǎn)模塊由采集和控制兩部分組成。電源采用DH1718G-4 型直流穩(wěn)壓電源。將電源電壓0~30 V使用1/10 電阻分壓變?yōu)镃C2430 片內(nèi)AD 采集0~3 V電壓；保護(hù)模塊又包括繼電器和蜂鳴器電路兩部分，繼電器用于切斷或恢復(fù)電源與負(fù)載設(shè)備的連接，起到過壓保護(hù)的作用，蜂鳴器在電源過壓時(shí)響起，起報(bào)警作用。其中，在繼電器驅(qū)動電路里加入二極管用于在繼電器斷電瞬間將繼電器線圈產(chǎn)生的較大的反向電動勢釋放掉，起到保護(hù)三極管的作用。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框

3 ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 Z-Stack 的軟件架構(gòu)及定制

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)平臺采用IAREmbedded Workbench V7.30B for 8051 （ IAR EW）集成開發(fā)環(huán)境。ZigBee 無線模塊的軟件系統(tǒng)協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用"事件輪詢"機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。整個(gè)Z-Stack 的主要工作流程大致分為：系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進(jìn)入事件輪詢階段。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中的作用是，建立并管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，自動允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請求，收集終端節(jié)點(diǎn)傳來的電壓數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)的控制命令，再將命令發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)控制其采取相應(yīng)的處理措施。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)并處理節(jié)點(diǎn)請求的程序流程如圖3 所示。

圖3 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程

3.3 路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的作用是路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee 設(shè)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(kuò)展地址）；另一種是16 位網(wǎng)絡(luò)地址（也稱為邏輯地址或短地址）。

ZigBee 使用一個(gè)分布式的編址方案來分配網(wǎng)絡(luò)地址。該方案確保了所有被分配的網(wǎng)絡(luò)地址在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。路由器建立網(wǎng)絡(luò)的程序流程如圖4 所示。

圖4 路由器建立網(wǎng)絡(luò)流程

3.4 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的作用是采集電源電壓數(shù)據(jù)，并通過與協(xié)調(diào)器建立"綁定"將電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時(shí)接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制命令，控制采集/保護(hù)模塊中的繼電器和蜂鳴器做出相應(yīng)的操作。在終端節(jié)點(diǎn)以終端的身份啟動并加入網(wǎng)絡(luò)后，即開始與協(xié)調(diào)器建立綁定。一旦一個(gè)綁定被創(chuàng)建，終端節(jié)點(diǎn)就可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。其與協(xié)調(diào)器建立綁定及電壓數(shù)據(jù)傳遞的完整程序流程如圖5 所示。

圖5 建立綁定及電壓數(shù)據(jù)傳遞流程

4 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 界面總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用 NI 公司推出的面向測控領(lǐng)域的LabWindows/CVI 軟件作為開發(fā)平臺。

它實(shí)現(xiàn)的主要功能有：通過串口接收ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳來的被監(jiān)控電源的電壓數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)分別以文本及波形圖的方式實(shí)時(shí)顯示出來；設(shè)置電壓警戒值及控制方式等，實(shí)現(xiàn)電源電壓無線監(jiān)控系統(tǒng)的自動或手動控制；通過連接后臺數(shù)據(jù)庫，將電壓及報(bào)警信息儲存在數(shù)據(jù)庫中，方便在上位機(jī)界面上對報(bào)警記錄的查詢和日后對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息的管理等[8].

界面的總體設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 上位機(jī)界面總體效果

4.2 界面數(shù)據(jù)庫功能的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為上位機(jī)軟件加入數(shù)據(jù)庫功能。這里采用微軟的Access 數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理。LabWindows/CVI 提供了數(shù)據(jù)庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit.工具包里包含了一個(gè)用來完成一般數(shù)據(jù)庫任務(wù)的高級函數(shù)集。

5 系統(tǒng)運(yùn)行測試

將各個(gè)模塊連接好，分別間隔10 m 放置好后，首先打開電源設(shè)備，隨后終端節(jié)點(diǎn)開始采集電源電壓數(shù)據(jù)，并每隔1 s 將數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)給上位機(jī)軟件。當(dāng)電壓低于10 V 時(shí)，界面顯示如圖7 所示。

此時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)已實(shí)時(shí)地存入后臺數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)需要查詢以往保存過的報(bào)警記錄時(shí)，點(diǎn)擊界面上的"數(shù)據(jù)庫記錄查詢"標(biāo)簽，在下方輸入想查詢數(shù)據(jù)的日期，點(diǎn)擊確定后，查詢結(jié)果即會以表格形式顯示出來。

圖7 電壓安全狀態(tài)時(shí)界面顯示

6 結(jié)語

文中給出了一種針對電源監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，解決了有線網(wǎng)絡(luò)存在的布線、維護(hù)和擴(kuò)展性等眾多問題。系統(tǒng)把以CC2430 芯片為核心的ZigBee 無線模塊作為節(jié)點(diǎn)，具有協(xié)議簡單、成本低、功耗小、組網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)試驗(yàn)證明，系統(tǒng)可以很好的完成電源數(shù)據(jù)的采集、傳輸