MRF24J40的ZigBee網(wǎng)絡(luò )分析及在電氣監測中的應用

摘要：對于電力系統，在線(xiàn)監測的困難在于絕緣和強電磁噪聲。ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為電氣監測提供了新思路。根據協(xié)議棧應用層的工作原理構造相應的原語(yǔ)結構，實(shí)現協(xié)調器網(wǎng)絡(luò )建立和終端設備的網(wǎng)絡(luò )連接。協(xié)調器建立的終端設備綁定表，能夠間接地將收發(fā)設備聯(lián)系在一起。在通過(guò)ZENA網(wǎng)絡(luò )分析儀器的綁定測試和電壓有效值、頻率采樣電路proteus仿真后，將硬件電路與ZigBee網(wǎng)絡(luò )結合起來(lái)，實(shí)現了電氣參數的在線(xiàn)監測。
關(guān)鍵詞：ZigBee；MRF24J40；綁定；無(wú)線(xiàn)監測

引言
ZigBee是一種專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。ZigBee的組網(wǎng)能力強，廣泛應用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、嵌入式的自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域。ZigBee的協(xié)議棧由一組子層構成，由下至上依次是物理層、介質(zhì)接人控制子層(MAC)、網(wǎng)絡(luò )層、應用層，并與單片機配合完成數據包裝收發(fā)、校驗、各種網(wǎng)絡(luò )拓撲、路由計算等復雜功能。
隨著(zhù)用戶(hù)對電器智能化的要求越來(lái)越高，ZigBee技術(shù)需要傳輸更多的電氣參量和現場(chǎng)參量，其中電壓有效值和頻率是確保電氣系統穩定運行的重要參數。有線(xiàn)傳輸布線(xiàn)麻煩，會(huì )使電器結構復雜、成本增加、使用不方便，而采用ZigBee技術(shù)能夠很好地解決這方面問(wèn)題。
本文以Microchip公司的PIC18LF4620為核心，硬件收發(fā)電路采用MRF24J40芯片，結合ZENA網(wǎng)絡(luò )分析儀器對ZigBee設備間的綁定和數據請求進(jìn)行監控，測試終端將電氣參數發(fā)往其他設備。

1 ZigBee協(xié)議棧結構和原理
ZigBee協(xié)議棧的分層結構中，最下面的兩層是介質(zhì)接入控制子層(MAC)和物理層，這兩層是由IEEE 802．15．4定義的，而上面的網(wǎng)絡(luò )層和應用層才是由ZigBee聯(lián)盟定義的。網(wǎng)絡(luò )層(NWK)負責設備到設備的通信，并負責網(wǎng)絡(luò )中設備初始化、消息路由和網(wǎng)絡(luò )發(fā)現；而應用支持子層(APS)可使用NWK提供的服務(wù)，實(shí)現數據傳送和安全等服務(wù)。此外應用層還可以通過(guò)ZigBee設備對象(ZDO)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )層配置和訪(fǎng)問(wèn)，提供設備發(fā)現、服務(wù)發(fā)現和綁定管理服務(wù)。用戶(hù)程序則通過(guò)240個(gè)端點(diǎn)與APS對接，實(shí)現用戶(hù)功能。實(shí)現ZigBee任務(wù)的關(guān)鍵就是在應用層或者ZDO層中配置原語(yǔ)，單片機的任務(wù)就是不斷地執行各種ZigBee協(xié)議棧任務(wù)。

2 ZigBee硬件和軟件設計
2．1 ZigBee硬件設計
ZigBee相關(guān)的硬件設計包括兩方面：一是以MRF24J40和PIC18LF4620為核心的射頻電路；二是提供ZigBee網(wǎng)絡(luò )分析的ZENA電路板。
MRF24J40的硬件電路包含去耦電路、平衡-不平衡變換電路和時(shí)鐘振蕩電路。與單片機相連的則是4線(xiàn)的串行SPI接口，它有中斷、喚醒和復位功能。用戶(hù)應用程序通過(guò)端點(diǎn)服務(wù)接口傳到APS，再依次往下傳至物理層，最后通過(guò)SPI控制MRF24J40將數據通過(guò)天線(xiàn)以電磁波形式發(fā)送出去，接收方的天線(xiàn)收到數據后則將數據逐層向上傳遞，請求應用層處理。在進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)至少需要3個(gè)這樣的最小系統板，其中一個(gè)作為協(xié)調器，另兩個(gè)作為終端設備或路由器。
ZENA電路板的核心是PIC18LF2550和MRF24J40，MRF24J40用于接收空氣中的電磁波并傳給單片機處理，最終通過(guò)USB傳輸到計算機中。而ZENA網(wǎng)絡(luò )監視窗口就是該USB對接的界面，這樣通過(guò)天線(xiàn)接收到的數據被還原成幀的形式顯示出來(lái)，由此就可以判斷ZigBee設備發(fā)送的數據是否正確。
2．2 ZigBee軟件設計
ZigBee協(xié)議棧是通過(guò)下層的服務(wù)完成自己的功能，同時(shí)對上層提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò )通信是在對等的層次上進(jìn)行的，而這些服務(wù)是設備中的實(shí)體通過(guò)發(fā)送服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現的。原語(yǔ)中又包含很多參數，構造應用層的程序其實(shí)也就是對該服務(wù)相關(guān)的原語(yǔ)參數進(jìn)行賦值。綁定的原語(yǔ)為：
APSME-BIND．request{SrcAddr，SrcEndpoint，Clusterld，DstAddrMode，DstAddr，DstEndpoint}。
該原語(yǔ)最前面的APSME表示這是一個(gè)APS服務(wù)原語(yǔ)，因此在執行ZigBee任務(wù)時(shí)將被送到APS．c文件執行。原語(yǔ)里的參數依次表示發(fā)送該原語(yǔ)設備的源地址、哪個(gè)端點(diǎn)發(fā)送該原語(yǔ)的、哪個(gè)簇標識符與目的設備綁定、目的地址模式是64位物理地址還是16位網(wǎng)絡(luò )短地址、目的設備的地址值，以及將被送到目的設備的哪個(gè)端點(diǎn)執行。因此要向某設備發(fā)送綁定請求，首先要定義好使用哪個(gè)端點(diǎn)和簇ID來(lái)執行，并且要知道自己和對方的地址，對各參數賦值完畢后就令currentPremitive=APSME_BIND_request，設備就成功發(fā)送綁定請求了，并等待后續響應。

3 電壓采樣電路和測頻電路
由于電力線(xiàn)路是高電壓的交流電，而PIC18LF4620只能采樣小于3．3 V的直流電壓，因此線(xiàn)路的電壓都要經(jīng)過(guò)變壓器或互感器降壓后再經(jīng)過(guò)絕對值線(xiàn)路整流。本文選用電流型的精密微型電壓互感器HPT304，互感器應用電路如圖1所示。通過(guò)運算放大器輸出，二次負載基本為0。被測的輸入電壓VIN通過(guò)限流電阻RIN限流，產(chǎn)生的0～2 mA電流通過(guò)微型電壓互感器。HPT304感應出相同的0～2 mA。通過(guò)運算放大器可以調節反饋電阻R值在輸出端得到所要求的電壓輸出，而電容C及電阻r是用來(lái)補償相位差的。限流電阻RIN要有足夠大的功率。