基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的電源電壓監控系統

傳統電源監控系統多采用有線(xiàn)連接方式。當監控節點(diǎn)較多時(shí)，就存在著(zhù)安裝困難、布線(xiàn)繁瑣及維護不便等問(wèn)題。采用基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)組建這種電源監控系統，即可解決上述種種問(wèn)題?，F介紹ZigBee 技術(shù)的工作原理及實(shí)時(shí)監控系統的設計。

ZigBee 協(xié)議棧結構由物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層組成。ZigBee 標準規定，所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分為Coordinator、Route、End Device 這3種類(lèi)型。不論ZigBee 網(wǎng)絡(luò )采用何種拓撲方式，網(wǎng)絡(luò )會(huì )自動(dòng)按照Z(yǔ)igBee 協(xié)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

基于ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)通過(guò)采集/保護模塊采集電源設備0~30 V 的電壓數據，通過(guò)路由器節點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調器節點(diǎn)，同時(shí)還要接收協(xié)調器的控制命令并作相應處理；路由器節點(diǎn)在系統中的主要任務(wù)是數據中轉，確保協(xié)調器節點(diǎn)與終端節點(diǎn)間的數據交換正確，增加了ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍；協(xié)調器節點(diǎn)一方面接收終端節點(diǎn)采集到的電源電壓數據，并把該數據通過(guò)串口發(fā)送給上位機，另一方面接收上位機的命令信息，然后發(fā)送給對應的終端節點(diǎn)；上位機實(shí)現對監控設備狀態(tài)信息的管理，包括系統配置、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、節點(diǎn)控制、數據處理及數據查詢(xún)等。

1.2 網(wǎng)絡(luò )拓撲選擇

ZigBee 網(wǎng)絡(luò )具有3 種拓撲形式：星形拓撲、樹(shù)形拓撲、網(wǎng)狀拓撲。文中設計的監控系統選擇網(wǎng)狀拓撲作為系統拓撲結構。

　　2 ZigBee 監控系統的硬件設計

監控系統主要由路由器節點(diǎn)和終端節點(diǎn)組成。

終端節點(diǎn)的硬件結構框圖如圖2 所示。

終端節點(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AD 采集0~3 V電壓；保護模塊又包括繼電器和蜂鳴器電路兩部分，繼電器用于切斷或恢復電源與負載設備的連接，起到過(guò)壓保護的作用，蜂鳴器在電源過(guò)壓時(shí)響起，起報警作用。其中，在繼電器驅動(dòng)電路里加入二極管用于在繼電器斷電瞬間將繼電器線(xiàn)圈產(chǎn)生的較大的反向電動(dòng)勢釋放掉，起到保護三極管的作用。

圖2 終端節點(diǎn)的硬件結構框

3 ZigBee 監控系統的軟件設計

3.1 Z-Stack 的軟件架構及定制

ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)平臺采用IAREmbedded Workbench V7.30B for 8051 （ IAR EW）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。ZigBee 無(wú)線(xiàn)模塊的軟件系統協(xié)議棧采用操作系統的思想來(lái)構建，采用"事件輪詢(xún)"機制，當各層初始化之后，系統進(jìn)入低功耗模式。當事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統，開(kāi)始進(jìn)入中斷處理事件，結束后繼續進(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：系統啟動(dòng)，驅動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入事件輪詢(xún)階段。

3.2 協(xié)調器節點(diǎn)的軟件設計

協(xié)調器在系統中的作用是，建立并管理ZigBee網(wǎng)絡(luò )，自動(dòng)允許其他節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的請求，收集終端節點(diǎn)傳來(lái)的電壓數據，并通過(guò)串口將數據發(fā)送給上位機，同時(shí)接收上位機的控制命令，再將命令發(fā)送給終端節點(diǎn)控制其采取相應的處理措施。協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )并處理節點(diǎn)請求的程序流程如圖3 所示。

圖3 協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )流程

3.3 路由器節點(diǎn)軟件設計

路由器節點(diǎn)在系統中的作用是路由選擇和數據轉發(fā)。ZigBee 設備有兩種類(lèi)型的地址。一種是64位IEEE 地址（也稱(chēng)為MAC 地址或擴展地址）；另一種是16 位網(wǎng)絡(luò )地址（也稱(chēng)為邏輯地址或短地址）。

ZigBee 使用一個(gè)分布式的編址方案來(lái)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 終端節點(diǎn)軟件設計

終端節點(diǎn)在系統中的作用是采集電源電壓數據，并通過(guò)與協(xié)調器建立"綁定"將電壓數據發(fā)送給協(xié)調器，同時(shí)接收協(xié)調器發(fā)來(lái)的控制命令，控制采集/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(diǎn)以終端的身份啟動(dòng)并加入網(wǎng)絡(luò )后，即開(kāi)始與協(xié)調器建立綁定。一旦一個(gè)綁定被創(chuàng )建，終端節點(diǎn)就可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發(fā)送數據。其與協(xié)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 上位機的軟件設計

4.1 界面總體設計

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

它實(shí)現的主要功能有：通過(guò)串口接收Z(yǔ)igBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)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(shí)時(shí)顯示出來(lái)；設置電壓警戒值及控制方式等，實(shí)現電源電壓無(wú)線(xiàn)監控系統的自動(dòng)或手動(dòng)控制；通過(guò)連接后臺數據庫，將電壓及報警信息儲存在數據庫中，方便在上位機界面上對報警記錄的查詢(xún)和日后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 界面數據庫功能的設計

本系統為上位機軟件加入數據庫功能。這里采用微軟的Access 數據庫作為后臺數據庫，對監測數據進(jìn)行記錄和管理。LabWindows/CVI 提供了數據庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit.工具包里包含了一個(gè)用來(lái)完成一般數據庫任務(wù)的高級函數集。

5 系統運行測試

將各個(gè)模塊連接好，分別間隔10 m 放置好后，首先打開(kāi)電源設備，隨后終端節點(diǎn)開(kāi)始采集電源電壓數據，并每隔1 s 將數據經(jīng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )發(fā)給上位機軟件。當電壓低于10 V 時(shí)，界面顯示如圖7 所示。

此時(shí)監測數據已實(shí)時(shí)地存入后臺數據庫中，當需要查詢(xún)以往保存過(guò)的報警記錄時(shí)，點(diǎn)擊界面上的"數據庫記錄查詢(xún)"標簽，在下方輸入想查詢(xún)數據的日期，點(diǎn)擊確定后，查詢(xún)結果即會(huì )以表格形式顯示出來(lái)。

圖7 電壓安全狀態(tài)時(shí)界面顯示

6 結語(yǔ)

文中給出了一種針對電源監控系統的ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的軟硬件設計方案，解決了有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )存在的布線(xiàn)、維護和擴展性等眾多問(wèn)題。系統把以CC2430 芯片為核心的ZigBee 無(wú)線(xiàn)模塊作為節點(diǎn)，具有協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、組網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)試驗證明，系統可以很好的完成電源數據的采集、傳輸