ZigBee技术在电压监控预警系统中的应用

丁 也， 范会爽， 陈雨晴， 徐旭强， 高 哲

(辽宁大学 轻型产业学院，沈阳 110036)

·实验技术·

ZigBee技术在电压监控预警系统中的应用

丁 也， 范会爽， 陈雨晴， 徐旭强， 高 哲

(辽宁大学 轻型产业学院，沈阳 110036)

为了实现大型工厂或社区电压检测的网络化管理，采用ZigBee技术设计了电压无线通信监测预警系统。监控系统分为上位机和下位机两部分，通过Visual Basic编程语言，利用可视化插件及图像绘制算法开发监测预警平台，收集由协调器经串口发送给计算机的采集数据，以实现上位机采集电压数据，绘制实时图像以及超标报警的功能。利用IAR集成开发环境，通过使用Z-Stack协议栈控制ZigBee网络中各个ZigBee模块，以实现ZigBee网络的组建以及对电压数据采集、数据传送和数据接收功能。

ZigBee技术； 无线通信； 电压采集； 监控预警系统； 网络管理

0 引 言

随着物联网技术的广泛发展，导致无线低速网络通信技术如ZigBee、蓝牙、超宽带等短距离通信规范竞相问世[1]。ZigBee无线通信技术以近距离，传输范围一般介于10～100 m，在增加发射功率后，亦可增加到1～3 km；低功耗，在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24月，甚至更长；低速率，ZigBee工作在20～250 Kb/s的速率，分别提供250.40 Kb/s(915 MHz)和20 Kb/s(868 MHz)的原始数据吞吐率满足低速率传输数据的应用需求；低成本，通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 KB代码，子功能节点少至4 KB代码，而且ZigBee免协议专利，每块芯片的价格约为2美元的特点被运用得越来越广泛[2-6]。

目前，我国现阶段广泛使用的电压监测报警设备体积大、成本高、耗能高、可靠性低、网络化程度低[8]，无法完全适应如今大型工厂、电厂等大型建筑的电压监测任务[9]。因此，实现目前急需解决的问题便是使监控设备网络化、低成本化。

为了实现大型工厂电压监控网络化管理，本文设计了一种电压监控报警系统。此系统将ZigBee无线传输技术与PC机端电压监控报警程序相结合。通过ZigBee无线传输技术组建由终端监测节点—路由器节点—协调器节点组成的分层次网络，并将终端传感器网络化分布于整个监控监测区域从而构成实时数据网络采集平台。利用Z-Stack协议栈中的无线收发功能函数，实现监测数据从终端至协调器的无线传输功能。协调器对数据包进行分析、处理并通过串口网络将信息传给PC端监控平台，监控平台中心实时获取并分析所收集数据做出相应反应并绘制出电压实时变化图像。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种双向无线通信技术，包含3种设备：协调器、路由器和终端节点设备[10]。其中，协调器作为所搭建网络的中心；路由器功能为收发数据，发现、允许其他节点通过它接入网络；终端设备功能为收发数据以及控制外围设备[11]。系统选用的ZigBee模块为CC2530F256。

1.2 CC2530方案

CC2530是一种片上系统解决方案，适用于IEEE 802.15.4、2.4 GHz ZigBee技术[12]。实验所使用CC2530F256由于拥有比上一代更大的存储空间，适合于ZigBeePro/2007复杂协议栈应用，结合德州仪器(TI)的ZigBee协议栈Z-Stack，使得用户可以拥有一个强大完整的ZigBee解决方案[13]。CC2530F256芯片内置射频前端CC2520模块，使得RF模块的无线信号收发能力得到了增强；采用QFN40封装，编程输出功率最大可达到4.5 dBm；芯片面积和引脚数都小于CC2430的QLP48封装，既增强了性能又降低了芯片功耗[14]。

1.3 ZigBee协议栈

ZigBee协议由两部分组成，第一部分是物理层和介质访问控制层(Medium Access Control Layer，MAC)，由IEEE 802.15.4定义；第二部分是网络层、安全层和应用层，由ZigBee联盟定义技术规范[15]。ZigBee协议栈就是集各个层定义的协议于一身。协议栈以函数调用的方式实现ZigBee功能，而且在协议栈中还为用户提供了应用程序编程接口，来满足用户的需求[16]。服务接入点是各层之间进行通信的通道。作为ZigBee协议底层的物理层与MAC层，选择信道和合法的个域网地址(Personal Area Network ID，PANID)是其主要功能[17]，建立拓扑结构和维护网络连接是网络层的主要功能。应用支持子层(Application Support Sub Layer，APS)、ZigBee设备对象和ZigBee应用框架共同构建ZigBee应用层[18]。其中，数据发送与接收是由APS通过应用支持子层数据服务访问接口实现。

2 监测系统的设计

系统分为上位机和下位机两部分。上位机部分需将得到的信息处理分析绘制图像，上位机软件开发环境选择Visual Basic 6.0；下位机设计开发环境选择IAR7.60，在 Z-STACK-2.4.01.4.0 协议栈基础上编写应用层程序。所需软件开发环境有：IAR Embeded Workbench、烧写工具Flash Programer。

上位机为信息接收处理部分;下位机为信息检测发送部分。上位机由协调器接收并向计算机传送数据进而通过运行监控报警系统软件来实现监控报警功能。下位机由电压传感器、终端节点、路由节点组成的ZigBee网络来实现对数据的采集和发送功能。监控系统示意图如图1所示。

1 监控系统示意图

2.1 报警系统下位机设计

系统中使用的ZigBee终端节点具有类似的基本结构，包含±12 V恒压电压源、CC2530无线通信模块、交流电压传感器及利用uA741高增益运算通用放大器搭建的双运放电压比例运算电路。通过调用Z-Stack协议栈函数并导入ZigBee模块嵌入式系统使得节点可以正常工作。协调器主要用于组建网状的无线传感器网络和数据的收发处理。在终端监测设备节点中，外围由GPIO口中的某一个接口，系统设计选用P0.5，连接交流电压传感器组成电压信号采集设备。

终端设备开启后电压传感器自动测量所在电路电压值并以0～5 V电压的形式传输给电压转换电路，电压转换电路将0～5 V电压转换为0～3 V电压以符合终端模块内置AD转换模块要求，终端内置AD转换模块将此模拟信息转化为数字信息，再经过底板微处理器完成对数据的打包处理后，通过CC2530射频芯片发送出去。为了模拟被检测系统电压变化情况，防止电压超过送电线路要求发生安全性问题，本实验采用手调电压器代替负载。下位机设备如图2所示。

图2 下位机设备图

2.2 报警系统上位机设计

上位机由 Visual Basic 6.0编译而成，在编译上位机程序时，首先对ZigBee数据格式、串口选择、波特率选择的代码进行分析，然后利用VB内置函数及插件实现对数据的接收、处理和图像绘制功能。由协调器接收的数据通过USB数据线将数据上传至PC机构成的实时监控平台进行信息分析、处理，绘制图像。上位机程序流程图如图3所示。

2.3 监控系统网络组建

系统中ZigBee无线网络采用星型网络拓扑结构。开始工作后协调器首先根据程序预先设定的信道和PANID建立无线网络。组网过程如图4所示。

然后，终端监测节点设备与路由器节点设备通过检测发现无线网络，提出申请加入该无线网络，并获得唯一的地址编号，终端组网过程如图5所示。

ZigBee无线网络建立好后，网络内的各个终端监测节点把采集的实时监测数据打包后，不间断重复地发送至协调器。同时，协调器通过USB数据线与PC机构成的实时监控平台连接，实现数据上传分析与定位功能。

图3 上位机程序流程图

图4 协调器组网流程图

图5 终端设备组网流程图

3 报警系统实验结果与分析

本实验中，采用了1个协调器节点和3个终端传感器节点共同组成星型网络。在完成对每1个节点进行了功能测试后，启动IAR软件，编写程序并编译成可执行文件，通过仿真器将程序烧录至每一个节点。

协调器采用自启动模式，初始化通过除去HOLD_ AUTO_START来完成协调器自启动的设定。协调器网络建立成功后作为网络建立成功的标志ZDO_STATE_CHANGE事件被触发；终端也采用自启动模式，节点在初始化时通过对网络发现函数NLME_NetworkDiscoveryRequest()的调用来加入网络并将网络地址发送给协调器，作为入网成功的标志ZDO_STATE_CHANGE事件被触发。上电后通过观察协调器设备上的D3灯来判断组网是否成功，协调器D3灯熄灭表明组网成功，路由器和终端设备上D3熄灭时说明入网成功。当开发板上RX、TX指示灯开始闪烁时，表示实现数据传输，即可开展实验测试。

线路电压正常情况下，终端设备上D1、D2灯为长亮状态。ZigBee的自组网功能启动，整个监测环境内的各个节点连接成无线监测网络，协调器建立并管理整个无线网络，为各个节点分配不同的IP地址。监控节点上通过电压转换电路连接的交流电压传感器实时进行电压监测，并将电压的实时信号参数通过路由器节点转发或直接送至协调器。协调器对收到的数据进行处理，并将数据通过串口发送到计算机构成的监控平台。

打开上位机监控平台，平台初始化成功，选择接入串口及波特率，按下开始工作按钮，信息收集、图像绘制功能启动，将由电压传感器采集到的经由终端节点打包发送出后由协调器接收到并通过USB发送到上位机的监测数据分析、判断，然后绘制出电压/时间图像。

系统实时运行状况如图6中线路1～4所示。当线路电压出现变化情况，电压突然出现峰值，电压传感器及时将信息收集并提供给终端ZigBee节点，平台实时绘制出变化图像，如图6线路2所示。如果电压值超过额定值，系统发出报警并发送警告给巡查人员，提示监控室值班人员有突发情况出现。

图6 监控系统实时监控界面

4 结 语

基于ZigBee技术与传感器的网络化无线通信监控报警系统，利用了ZigBee网络来传输传感器实时监测的至监控中心，监控中心达到实时监控与数据分析快速报警定位的目的。实现了网络化实时监控管理电压突变的突发情况，快速有效地做出应对措施反应。在当今网络化时代，大型公建的监测平台网络化正在一步步推进，而基于ZigBee技术的无线监测网络正好顺应了当今时代潮流，可以很好地符合各种大型厂房的需求，具有很好的应用前景。

[1] 刘云浩. 物联网导论[M]. 北京：科学出版社，2011：156-157.

[2] 杨 平. 电子背散射衍射技术及其应用[M].北京： 冶金工业出版社，2013：75-78

[3] 李 艳，葛年明，陈 杰. 基于 ZigBee 的多传感器物联网无线监测系统设计[J]. 自动化技术与应用，2015，34(1)：47-51.

[4] 丛玉华，孙海波. 智能医疗护理系统之信息采集模块[J]. 应用研究，2014，8(1)：79-80.

[5] 兰 羽，白 洁，基于MAX6675 的多路测温系统设计[J]. 国外电子测量技术，2013，32(8)：74-76．

[6] 贺安坤，张 亮，宋长青，等. 基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与实现[J]. 微计算机信息. 2012(09)：168-169.

[7] 梁湖辉，张 峰，常 冲，等. 基于 ZigBee 的变电站监测报警系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(12)：121-124.

[8] 韦 佳，何 磊，顾晓峰，等. ZigBee无线多区域监测系统设计[J]. 自动化仪表，2012，33(12)：39-41.

[9] 宋 鲜，陈 宁，李迪飞. ZigBee无线传感技术在森林火灾监测中的应用[J].自动化仪表，2011，32(4)：50-52.

[10] 靳卫平，钱 堃. ZigBee技术在建筑物环境网络化监测系统中的应用[J]. 自动化仪表，2015，36(2)：64-67.

[11] 伍冯洁，黄文恺，吴鸿碧. ZigBee无线技术在输液车间自动监测系统中的应用[J]. 自动化仪表，2014，35(4)：49-52.

[12] 李 凡，黄海波. 电子背散射衍射分析功能的开发及其应用[J]. 实验室研究与探索，2011，30(11)：217-220．

[13] 焦尚彬，宋 丹，张 青，等. 基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统[J]. 电子测量与仪器学报，2013，27(5)：436-443．

[14] 王小强，欧阳俊，黄宁淋. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京： 化学工业出版社,2012：66-69.

[15] 王 疆，岳俊伟，郦 剑，等． 电子背散射衍射试样的制备技术[J]. 热处理 ，2013，28( 4)：71-74．

[16] 张 猛，房俊龙，韩 雨. 基于ZigBee 和Internet 的温室群环境远程监控系统设计[J]. 农业工程学报， 2013，29(1)：171-176.

[17] 宋国青，叶 进，屈国旺，等．基于工作流的Zigbee无线抄表系统设计与实现[J]. 自动化与仪表，2010(4)：22-25.

[18] 范 燕，俞 洋，李永义，等. 基于 ZigBee无线传感器网络的远程监控系统[J]. 实验室研究与探索，2016，35(1)：80-84.

Application of ZigBee Technology for Electricity Monitoring Alarm System

DINGYe，FANHuishuang，CHENYuqing，XUXuqiang，GAOZhe

(College of Light Industry, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

In order to achieve large-scale network management of factories or community-voltage detection, ZigBee wireless communication technology is used to design the voltage monitoring and warning system. The monitoring system consists of host computer and serve computer. By using the Visual Basic programming language, the visual plug-ins and image rendering algorithm, a platform for monitoring and early warning is developed. The host computer is used to collect voltage data, draw real-time image and the exceeding alarm. The data are collected by serve computer and through the serial port of coordinator to the host computer. Using IAR integrated development environment and the Z-Stack protocol, the ZigBee network is controlled to achieve the formation of the ZigBee network and the voltage data acquisition, the data transfer, and the data reception. Real-time monitoring and warning of large plant or community voltage, the integration of the branch voltage information, and the network management of power grid are achieved by ZigBee wireless communication network.

ZigBee technology; wireless communication; voltage acquisition; monitoring and early-warning systems; network management

2016-08-08

国家自然科学基金(61304094)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015194)；大学生创新创业项目(X201410140103)

丁 也(1995-)，男，满族，河北承德人，本科生。

Tel.:18503145150；E-mail:453920702@qq.com

高 哲(1983-)，男，辽宁沈阳人，博士，副教授，研究方向：分数阶控制系统分析与设计，复杂电力系统控制。

Tel.:15004058807；E-mail:gaozhe83@gmail.com

TP 274.2；TP 277

A

1006-7167(2017)04-0004-04