劉亞麗，張紅濤

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基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉亞麗，張紅濤

（海軍士官學(xué)校，安徽蚌埠233012）

船用電氣設(shè)備類型數(shù)量多，安裝部位分散，相應(yīng)的運行監(jiān)測裝置往往受布線和電源限制，布設(shè)難度大，維護繁瑣，難以大量使用。針對該問題，設(shè)計了一種基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)。給出了相應(yīng)的采集電路，基于Zigbee芯片C2530-F256的模塊接口電路和電源電路設(shè)計。根據(jù)船舶環(huán)境特點，分析選擇了Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲形式，設(shè)計了應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，最后給出了相應(yīng)的軟件工作流程。該系統(tǒng)布設(shè)靈活，使用方便，可有效提升船舶電氣設(shè)備的整體管理水平。

Zigbee 電氣設(shè)備 運行狀態(tài) 監(jiān)測

0 引言

船舶上各類電氣設(shè)備大多工作在高溫，震動，高壓，大電流等惡劣環(huán)境，動作頻繁，很容易發(fā)生各類故障。一方面，目前針對船舶電氣設(shè)備的故障診斷大多僅停留在基于單個設(shè)備故障現(xiàn)象的研究和分析，往往缺少設(shè)備或關(guān)聯(lián)設(shè)備的運行過程數(shù)據(jù)支持，而隨著故障診斷方法的不斷智能化，必然需要大量的設(shè)備運行狀態(tài)信息作為診斷依據(jù)[1]；另一方面，船舶上各個電氣設(shè)備分艙室布置，安裝部位分散，采用有線方式傳輸監(jiān)測信息將在實際線路布設(shè)中遇到困難。近幾年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)測控制系統(tǒng)也逐漸發(fā)展為采用基于無線網(wǎng)絡(luò)的方式。其中Zigbee就是一種典型的短距離無線通信技術(shù)，與藍牙（Blue Tooth）、無線局域網(wǎng)（WiFi）等相比具有組網(wǎng)靈活，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大的特點，但考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率低，目前僅大多應(yīng)用于溫濕度監(jiān)測[2, 3]，使用效益較低，但實際上Zigbee理論傳輸速率為250 kbps，即使在干擾狀態(tài)下實測傳輸速率仍可達300 bps以上[4, 5]，通過合理安排數(shù)據(jù)幀和傳輸協(xié)議等方法，可以有效擴展監(jiān)測的物理量類型。

據(jù)此，本文設(shè)計了一種基于Zigbee的分布式電氣設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對船舶各類電氣設(shè)備實時進行靈活的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、記錄和存儲，從而為設(shè)備運行狀態(tài)評估和故障診斷提供有效地數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計與分析

船舶上的電氣設(shè)備需要采集的數(shù)據(jù)主要包括繼電器、熔斷器和接觸器等開關(guān)量狀態(tài)、動作時間，三相交流負載電壓和電流、關(guān)鍵元件的線圈溫度，控制箱內(nèi)濕度等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要由PC端狀態(tài)監(jiān)控臺、Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、帶路由功能的采集終端和采集終端組成。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和帶路由器采集終端都包括Zigbee全功能設(shè)備FFD（Full Function Device）[5]，用于構(gòu)成Zigbee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)啟動和配置，并可通過RS422或CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC端狀態(tài)監(jiān)控臺。帶路由器采集終端一方面可用于擴展Zigbee網(wǎng)絡(luò)，另一方面可進行設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，而采集終端則進行數(shù)據(jù)采集并只向路由器傳輸數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

帶路由器采集終端硬件部分主要包括微處理器，采集電路、外圍電路及Zigbee網(wǎng)絡(luò)全功能設(shè)備。采集電路主要有交流電壓采集模塊，交流電流采集模塊，開關(guān)量和溫濕度采集模塊，外圍電路主要有晶振電路，時間基準(zhǔn)電路和SD卡存儲電路等。而采集終端與帶路由器采集終端基本相同，由于無需進行路由擴展網(wǎng)絡(luò)，僅與帶路由器采集終端進行數(shù)據(jù)交互，故此處可將Zigbee網(wǎng)絡(luò)全功能模塊精簡為簡化功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）[5]。

構(gòu)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)的模塊采用TI公司的CC2530芯片，為配合CC2530擴展網(wǎng)絡(luò)，采用CC2591功放芯片構(gòu)建工作頻率為2.4GHz的射頻前端，通過CC2591功放芯片，發(fā)射的輸出功率可提高+22dBm，接收靈敏度可提高+6dBm[5]，可有效擴大Zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作范圍。MCU則采用內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器的PIC16F877A微處理器，完成時標(biāo)數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)采集和處理，并將結(jié)果經(jīng)URAT接口與CC2530芯片進行數(shù)據(jù)交互。整個終端為保證可靠記錄，可不依賴交流電源，采用內(nèi)置電池電源設(shè)計，利用取能電路進行AC/DC轉(zhuǎn)換和電池充放電管理。帶路由采集終端的整體硬件組成框圖如圖2所示。

2.1 采集模塊設(shè)計

交流電壓采集模塊采用WB3U412U01型交流電壓傳感器構(gòu)建，將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓輸出，輸出的直流電壓為0～5 V，可直接送入MCU進行A/D轉(zhuǎn)換采集。

當(dāng)輸入電壓為380 V時，其輸入阻抗可達300 k以上，對被測電路影響可基本忽略，模塊的輸入與輸出之間隔離電壓大于2.5 kV，可避免交流電網(wǎng)對后端采集電路的影響[6]。交流電流的采集采用WB3I414U31型電流傳感器，輸入端為穿心感應(yīng)方式，與被測電路無直接接觸，布設(shè)方便。

電流傳感器模塊將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流輸出，為提高電流傳感器輸出阻抗，電流傳感器輸出端由標(biāo)準(zhǔn)負載電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號后，先經(jīng)過由運放構(gòu)成的射極跟隨器，再接入到MCU的數(shù)據(jù)采集口進行采樣。

采集的開關(guān)量為交流電流的通斷狀態(tài)信號，采用穿孔式的交流電流越限隔離變送傳感器CE-IJ03，將交流電流的通斷狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為開關(guān)量。模塊的輸入和輸出的隔離耐壓值大于2.5 kV，動作響應(yīng)時間小于200 ms，能夠迅速反應(yīng)開關(guān)動作，也避免了采集電路對被測電路的影響。電路中設(shè)計了四路通道的開關(guān)量狀態(tài)采集，同時也可根據(jù)需要，進一步擴展相應(yīng)的采集通道。

設(shè)計中采用經(jīng)典的AM2301濕敏電容模塊采集溫濕度，模塊包括已校準(zhǔn)的數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器，與MCU連接采用單總線(one-wire)接口，硬件開銷需求少，響應(yīng)快，性價比高。采集模塊的硬件連接如圖3所示。

2.2 Zigbee模塊接口設(shè)計

本設(shè)計中Zigbee采用TI公司的CC2530-F256芯片構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，CC2530-F256的供電電壓為2 V到3.6 V，功耗極低，支持IEEE802.15.4的2.4 GHz RF收發(fā)器，僅需很少的外接元件就可以建立起極高接收靈敏度和具有抗干擾能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[7]。

Zigbee模塊CC2530-F256與MCU即PIC16F877A通過串口進行數(shù)據(jù)交互。由于CC2530-F256采用低功耗設(shè)計，工作電壓在3.3 V，而MCU工作電壓是5 V，兩者工作電壓不匹配，不能直接連接，為保證Zigbee模塊與MCU通過串口能進行可靠的數(shù)據(jù)交互，利用三極管對通訊接口電壓進行匹配，保證兩者都能工作在正常范圍之內(nèi)。相應(yīng)的接口電路設(shè)計如圖4所示。

2.3 電源設(shè)計

為便于終端節(jié)點的布設(shè)，無需另外加設(shè)供電線路，最為實用的方式就是利用電磁感應(yīng)原理，從高電位的電氣設(shè)備電纜中獲取電能用于內(nèi)置鋰電池的充電[8]，從而維持監(jiān)測系統(tǒng)各個終端工作。

圖4. Zigbee模塊與MCU接口電路

設(shè)計采用互感式取能線圈從交流電纜中獲取電能，后端逐級由瞬態(tài)抑制二極管的沖擊保護電路，整流濾波電路，電源管理電路等部分組成，其中電源管理部分包括可充鋰電池的充放電控制和DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換。由于后端的Zigbee和相關(guān)控制及采集電路的工作電流均為幾毫安到幾十毫安，整體功耗不高，因此，取能線圈與可充鋰電池的組合電源設(shè)計可以滿足負載需求。電源部分的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖5所示。

3 分布系統(tǒng)的拓撲選擇

Zigbee網(wǎng)絡(luò)定義了星狀、簇（樹）狀和網(wǎng)狀三種拓撲結(jié)構(gòu)。其中，簇狀結(jié)構(gòu)由若干個星狀結(jié)構(gòu)組成，兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點是串接的，結(jié)構(gòu)相對簡便但穩(wěn)健性不足，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與簇狀結(jié)構(gòu)的不同在于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的任意路由之間可以直接交互數(shù)據(jù)。

對于沒有金屬障礙的理想空間而言，星狀結(jié)構(gòu)或簇狀結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，其中簇狀結(jié)構(gòu)還可以逐級擴展延伸。但在實際應(yīng)用中，船舶的電氣設(shè)備往往分布安裝于各個艙室，金屬艙室對無線信號具有屏蔽或衰減作用，容易導(dǎo)致通訊障礙。因此，考慮到船舶艙室內(nèi)部布設(shè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)冗余性，信息交互的靈活性和通訊的可靠性，采用網(wǎng)狀的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合適。特別是在艙室與艙室間的信號重疊區(qū)域，合理的增加布設(shè)帶路由器采集終端，即使一個節(jié)點因為信號屏蔽或衰減而無法進行數(shù)據(jù)交互，Zigbee網(wǎng)絡(luò)也可以重新選擇新路徑，在各個帶路由器采集終端間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，繞開問題區(qū)域，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計遵循最低復(fù)雜度的原則，但同時需要在信道的傳輸中保證足夠的健壯性，因此，在物理層、介質(zhì)范圍控制層和網(wǎng)絡(luò)層中，用于網(wǎng)絡(luò)建立，信標(biāo)發(fā)送，狀態(tài)確認(rèn)和命令傳遞等功能幀可直接沿用Zigbee規(guī)范。

本設(shè)計中，雖然在應(yīng)用層發(fā)起信息交互的數(shù)據(jù)幀有效負載是可變的，但是受物理層實際有效載荷限制，同時避免或減少分幀傳輸，加快數(shù)據(jù)傳遞速率，應(yīng)盡量簡化數(shù)據(jù)幀負載數(shù)據(jù)量。其中，物理層除去自行添加的同步頭和物理層報頭外，最大有效負載為127字節(jié)，介質(zhì)范圍控制層開銷為9～25字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)層開銷為8～25字節(jié)，應(yīng)用層自身開銷為10字節(jié)，此時，按照各層最大開銷計算，應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀的有效負載不超過67字節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集類型和數(shù)量的需求，設(shè)計的應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示，前10個字節(jié)為應(yīng)用支持子層的幀頭，包括尋址字段和計數(shù)器；數(shù)據(jù)負載為24字節(jié)，其中傳輸?shù)臅r標(biāo)信息和采集數(shù)據(jù)為21字節(jié)，并預(yù)留3字節(jié)擴展使用。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器主要負責(zé)啟動和組建網(wǎng)絡(luò)并向監(jiān)控PC端上傳數(shù)據(jù)，首先進行串口初始化和Zigbee網(wǎng)絡(luò)初始化，啟動網(wǎng)絡(luò)后，前端節(jié)點申請加入該網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器需分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，獲取相應(yīng)終端節(jié)點數(shù)據(jù)后，提交至PC端監(jiān)控軟件處理。本系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程如圖9所示。

對于帶路由器采集終端而言，首先需要對單片機、Zigbee模塊及各個功能模塊電路進行初始化設(shè)置，讀取時鐘芯片中時標(biāo)信息，配置SPI端口，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)等。初始化完成后，建立和打開相應(yīng)記錄文件，查找并與Zigbee網(wǎng)絡(luò)建立連接，定時采集相關(guān)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后不斷將檢測采集的各類數(shù)據(jù)寫入文件并打上時標(biāo)，并經(jīng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。采集終端只需與帶路由器采集終端通訊，其軟件工作流程可相應(yīng)簡化。帶路由器采集終端的軟件流程如圖10所示。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計研發(fā)的基于Zigbee的船用分布式電氣設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)，針對船舶電氣設(shè)備分布式監(jiān)測需求特點，充分利用了Zigbee網(wǎng)絡(luò)功耗低、容量大、自組網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，以Zigbee無線傳感器網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可實時采集各類船舶電氣設(shè)備運行過程中電流、電壓、接觸器或繼電器的開關(guān)量，工作環(huán)境參量等狀態(tài)信息，以時間標(biāo)記各類過程數(shù)據(jù)，存儲在大容量SD卡中，并通過網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送至PC端進行分析處理，便于設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測和回溯查詢。該系統(tǒng)的應(yīng)用無需另外連接通訊電纜，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)自適應(yīng)性好，終端布設(shè)靈活，使用不影響原電氣設(shè)備正常工作，實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的無線自動化，可有效提升船舶電氣設(shè)備的整體管理水平，具有較高的應(yīng)用價值和推廣前景。在后續(xù)工作中，還需要進一步開展由于設(shè)備艙室分割，無線通信鏈路非對稱性等不利因素對Zigbee網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定性影響的研究。

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Design of Monitoring System for Marine Distributed Electrical Equipment Running Status Based on Zigbee Technology

Liu Yali, Zhang Hongtao

（Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China）

U666.1

A

1003-4862（2017）11-0048-06

2017-08-15

劉亞麗（1981-），女，講師，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。