王慶福

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽，110161）

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

王慶福

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽，110161）

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

ZigBee；無線傳感網(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無線標準的，ZigBee技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用的技術(shù)標準。IEEE負責MAC層協(xié)議，ZigBee技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議進行標準化，ZigBee技術(shù)中的協(xié)調(diào)器可以連接254個節(jié)點，幾個協(xié)調(diào)器可以組成一個網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進行擴展，并且開發(fā)了相應(yīng)的安全協(xié)議，避免了ZigBee無線傳感網(wǎng)的敏感信息通過安全漏洞進行泄漏的問題。ZigBee技術(shù)的特點低成本、低功耗、近距離、短時延和高容量等。ZigBee無線傳感節(jié)點包括傳感器模塊、無線通信模塊、供電設(shè)備和數(shù)據(jù)處理四個部分，無線傳感器節(jié)點的ZigBee技術(shù)中ZigBee節(jié)點采用了標準化制定，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。ZigBee傳感器節(jié)點通過區(qū)分不同的功耗實現(xiàn)最大程度的降低設(shè)計成本，并且對節(jié)點功率資源進行合理的利用。ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)有15個信道，若干個ZigBee無線傳感網(wǎng)分布在每個信道中，一個Sink節(jié)點和多個普通節(jié)點組成每個ZigBee無線傳感網(wǎng)。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)電源設(shè)計分析，電源供電一旦出現(xiàn)短路、線路電流過大引起的設(shè)備發(fā)熱等電源工作異常問題，會影響整個系統(tǒng)的正常運行，所以我們要對電源進行監(jiān)控，當出現(xiàn)異常情況時，采取必要的措施來保護線路，并查出問題原因。系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計要求要對電源電壓進行采樣，電源出現(xiàn)異常時要及時處理， 對采集數(shù)據(jù)進行處理和保存，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡單。監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計要保證測量的精度，具有報警功能，無線通信功能，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)計要求，制定合理的設(shè)計方案，監(jiān)控系統(tǒng)組成分為上位機、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備三個部分。終端設(shè)備負責采集電源參數(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ZigBee無線傳感網(wǎng)實現(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，在把上位機的控制命令傳輸給終端設(shè)備，協(xié)調(diào)器與上位機的通信是通過串口進行的。

終端節(jié)點通過采集/保護模塊對電源設(shè)備的電壓數(shù)據(jù)進行采集，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)的值通過路由器節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器的節(jié)點，路由器節(jié)點還可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制指令，并根據(jù)控制指令做出相應(yīng)的處理。路由器節(jié)點可以增加ZigBee無線傳感網(wǎng)的整個的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，保證整個電源監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)正常運作，負責系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換正確。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口把終端節(jié)點采集到的電源電壓的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并且可以接收到上位機發(fā)來的命令，然后把命令信息發(fā)給與之相對應(yīng)的終端節(jié)點上。上位機主要負責對監(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ZigBee協(xié)議標準把ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為三種類型，分別是Coordinator、Route和End Device 。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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無線傳感網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)中選擇的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。無論在哪一種ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)傳輸通道會按照ZigBee的協(xié)議算法來選擇最適合的路由路徑，這樣提高了整個無線網(wǎng)絡(luò)的通信速率。

2.2 系統(tǒng)運行測試

ZigBee監(jiān)控系統(tǒng)的組成主要有終端節(jié)點和路由器節(jié)點兩部分。終端節(jié)點模塊由采集模塊和控制模塊組成。在終端節(jié)點模塊中電源的選擇主要采用 DH1718G-4 型直流穩(wěn)壓電源，保護模塊包括分壓電路，繼電器電路和蜂鳴器電路，繼電器的功能是過壓保護，繼電器作用主要是用來切斷電源與負載設(shè)備的連接，也可以恢復(fù)電源與負載設(shè)備的連接。蜂鳴器功能是報警，在電源過壓時候發(fā)出響聲并報警。終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)中，把二極管加入到繼電器驅(qū)動電路里，這樣在繼電器斷電的瞬間，可以釋放掉繼電器線圈產(chǎn)生的反向電動勢，從根本上保護了三極管。對zigBee無線傳感網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)，查看測試效果。把系統(tǒng)中的各個功能模塊按設(shè)計要求分別間隔10米放置并進行連接，啟動電源設(shè)備，系統(tǒng)中的終端節(jié)點對電源電壓數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的電源電壓數(shù)據(jù)每隔1秒通過zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機軟件，測試的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時的存放到后臺數(shù)據(jù)庫中。

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)擴展等問題，可以通過ZigBee無線傳感網(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)點比較多的時候，會出現(xiàn)布線施工困難、安裝工作繁瑣和系統(tǒng)維護的不方便等諸多問題。采用ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)來組建電源監(jiān)控系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題。ZigBee技術(shù)是新興的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，可以實現(xiàn)在傳感器之間協(xié)調(diào)無線通信。

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

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

[3]孫皓月,呂國,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.基于嵌入式遠程電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及應(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