0 引言

傳統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線連接方式,。當監(jiān)控節(jié)點較多時，就存在著安裝困難,、布線繁瑣及維護不便等問題,。采用基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來組建這種電源監(jiān)控系統(tǒng)，即可解決上述種種問題?，F(xiàn)介紹ZigBee 技術(shù)的工作原理及實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計,。

ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由物理層、MAC 層,、網(wǎng)絡(luò)層和應用層組成,。ZigBee 標準規(guī)定，所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為Coordinator,、Route,、End Device 這3種類型。不論ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用何種拓撲方式,，網(wǎng)絡(luò)會自動按照ZigBee 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

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于ZigBee 無線網(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)點通過采集/保護模塊采集電源設(shè)備0~30 V 的電壓數(shù)據(jù),，通過路由器節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時還要接收協(xié)調(diào)器的控制命令并作相應處理,；路由器節(jié)點在系統(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)點與終端節(jié)點間的數(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)點一方面接收終端節(jié)點采集到的電源電壓數(shù)據(jù),，并把該數(shù)據(jù)通過串口發(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(jié)點,；上位機實現(xiàn)對監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)信息的管理，包括系統(tǒng)配置,、實時狀態(tài)顯示,、節(jié)點控制,、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)查詢等。

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,、樹形拓撲,、網(wǎng)狀拓撲。文中設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)選擇網(wǎng)狀拓撲作為系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),。

　　2 ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主要由路由器節(jié)點和終端節(jié)點組成,。

終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

終端節(jié)點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(shè)備的連接,，起到過壓保護的作用，蜂鳴器在電源過壓時響起,，起報警作用,。其中，在繼電器驅(qū)動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勢釋放掉,，起到保護三極管的作用,。

圖2 終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框

3 ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 Z-Stack 的軟件架構(gòu)及定制

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件開發(fā)平臺采用IAREmbedded Workbench V7.30B for 8051 （ IAR EW）集成開發(fā)環(huán)境。ZigBee 無線模塊的軟件系統(tǒng)協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建,，采用"事件輪詢"機制,，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式,。當事件發(fā)生時,，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件,，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式,。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級,，逐次處理事件。整個Z-Stack 的主要工作流程大致分為：系統(tǒng)啟動,，驅(qū)動初始化,，OSAL初始化和啟動，進入事件輪詢階段,。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中的作用是,，建立并管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，自動允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求,，收集終端節(jié)點傳來的電壓數(shù)據(jù),，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，同時接收上位機的控制命令，再將命令發(fā)送給終端節(jié)點控制其采取相應的處理措施,。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)并處理節(jié)點請求的程序流程如圖3 所示,。

圖3 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程

3.3 路由器節(jié)點軟件設(shè)計

路由器節(jié)點在系統(tǒng)中的作用是路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee 設(shè)備有兩種類型的地址,。一種是64位IEEE 地址（也稱為MAC 地址或擴展地址）,；另一種是16 位網(wǎng)絡(luò)地址（也稱為邏輯地址或短地址）。

ZigBee 使用一個分布式的編址方案來分配網(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(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點在系統(tǒng)中的作用是采集電源電壓數(shù)據(jù),，并通過與協(xié)調(diào)器建立"綁定"將電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,，同時接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制命令，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(jié)點以終端的身份啟動并加入網(wǎng)絡(luò)后,，即開始與協(xié)調(diào)器建立綁定。一旦一個綁定被創(chuàng)建,，終端節(jié)點就可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發(fā)送數(shù)據(jù),。其與協(xié)調(diào)器建立綁定及電壓數(shù)據(jù)傳遞的完整程序流程如圖5 所示。

圖5 建立綁定及電壓數(shù)據(jù)傳遞流程

4 上位機的軟件設(shè)計

4.1 界面總體設(shè)計

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

它實現(xiàn)的主要功能有：通過串口接收ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳來的被監(jiān)控電源的電壓數(shù)據(jù),，將該數(shù)據(jù)分別以文本及波形圖的方式實時顯示出來；設(shè)置電壓警戒值及控制方式等,，實現(xiàn)電源電壓無線監(jiān)控系統(tǒng)的自動或手動控制,；通過連接后臺數(shù)據(jù)庫，將電壓及報警信息儲存在數(shù)據(jù)庫中,，方便在上位機界面上對報警記錄的查詢和日后對監(jiān)控數(shù)據(jù)信息的管理等[8].

界面的總體設(shè)計如圖6 所示,。

圖6 上位機界面總體效果

4.2 界面數(shù)據(jù)庫功能的設(shè)計

本系統(tǒng)為上位機軟件加入數(shù)據(jù)庫功能。這里采用微軟的Access 數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫,，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄和管理,。LabWindows/CVI 提供了數(shù)據(jù)庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit.工具包里包含了一個用來完成一般數(shù)據(jù)庫任務(wù)的高級函數(shù)集。

5 系統(tǒng)運行測試

將各個模塊連接好,，分別間隔10 m 放置好后,，首先打開電源設(shè)備，隨后終端節(jié)點開始采集電源電壓數(shù)據(jù),，并每隔1 s 將數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)給上位機軟件,。當電壓低于10 V 時，界面顯示如圖7 所示,。

此時監(jiān)測數(shù)據(jù)已實時地存入后臺數(shù)據(jù)庫中,，當需要查詢以往保存過的報警記錄時,，點擊界面上的"數(shù)據(jù)庫記錄查詢"標簽，在下方輸入想查詢數(shù)據(jù)的日期,，點擊確定后,，查詢結(jié)果即會以表格形式顯示出來。

圖7 電壓安全狀態(tài)時界面顯示

6 結(jié)語

文中給出了一種針對電源監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計方案,，解決了有線網(wǎng)絡(luò)存在的布線,、維護和擴展性等眾多問題。系統(tǒng)把以CC2430 芯片為核心的ZigBee 無線模塊作為節(jié)點,，具有協(xié)議簡單,、成本低、功耗小,、組網(wǎng)容易等優(yōu)點,。

經(jīng)試驗證明，系統(tǒng)可以很好的完成電源數(shù)據(jù)的采集,、傳輸,、處理和記錄任務(wù)，并完成對電源的斷電保護工作,，具有很高的應用價值,。