基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)

　　摘 要：針對(duì)當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)普遍采用的有線連接方式的布線不便、靈活性不高的缺點(diǎn)，提出了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。介紹了利用CC2430芯片搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)的方法和各節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，最后介紹了使用LabWindows/CVI制作上位機(jī)界面。最終實(shí)現(xiàn)了利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源的監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠采集ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的電源電壓即時(shí)數(shù)據(jù)。

　　0 引言

　　傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線連接方式。當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，就存在著安裝困難、布線繁瑣及維護(hù)不便等問(wèn)題。采用基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)組建這種電源監(jiān)控系統(tǒng)，即可解決上述種種問(wèn)題。現(xiàn)介紹ZigBee 技術(shù)的工作原理及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為Coordinator、Route、End Device 這3種類型。不論ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用何種拓?fù)浞绞?，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(shù)據(jù)傳輸通道，以提高通訊效率。

　　1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

　　終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集/保護(hù)模塊采集電源設(shè)備0~30 V 的電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還要接收協(xié)調(diào)器的控制命令并作相應(yīng)處理；路由器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，確保協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換正確，增加了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一方面接收終端節(jié)點(diǎn)采集到的電源電壓數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，另一方面接收上位機(jī)的命令信息，然后發(fā)送給對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)信息的管理，包括系統(tǒng)配置、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、節(jié)點(diǎn)控制、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)查詢等。

　　1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有3 種拓?fù)湫问剑盒切瓮負(fù)?、樹形拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)洹Ｎ闹性O(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)選擇網(wǎng)狀拓?fù)渥鳛橄到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　2 ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控系統(tǒng)主要由路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。

　　終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

　　終端節(jié)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(wěn)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(nèi)AD 采集0~3 V電壓；保護(hù)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(fù)電源與負(fù)載設(shè)備的連接，起到過(guò)壓保護(hù)的作用，蜂鳴器在電源過(guò)壓時(shí)響起，起報(bào)警作用。其中，在繼電器驅(qū)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圈產(chǎn)生的較大的反向電動(dòng)勢(shì)釋放掉，起到保護(hù)三極管的作用。

　　圖2 終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框

　　3 ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 Z-Stack 的軟件架構(gòu)及定制

　　ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)平臺(tái)采用IAREmbedded Workbench V7.30B for 8051 （ IAR EW）集成開發(fā)環(huán)境。ZigBee 無(wú)線模塊的軟件系統(tǒng)協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來(lái)構(gòu)建，采用“事件輪詢”機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)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(jí)，逐次處理事件。整個(gè)Z-Stack 的主要工作流程大致分為：系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入事件輪詢階段。