李衍川，江和

（福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

引 言

ZigBee是一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee的組網(wǎng)能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)、嵌入式的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域［1］。ZigBee的協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，由下至上依次是物理層、介質(zhì)接入控制子層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，并與單片機(jī)配合完成數(shù)據(jù)包裝收發(fā)、校驗(yàn)、各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由?jì)算等復(fù)雜功能。

隨著用戶對(duì)電器智能化的要求越來(lái)越高，ZigBee技術(shù)需要傳輸更多的電氣參量和現(xiàn)場(chǎng)參量，其中電壓有效值和頻率是確保電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。有線傳輸布線麻煩，會(huì)使電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、使用不方便，而采用ZigBee技術(shù)能夠很好地解決這方面問(wèn)題。

本文以Microchip公司的PIC18LF4620為核心，硬件收發(fā)電路采用MRF24J40芯片，結(jié)合ZENA網(wǎng)絡(luò)分析儀器對(duì)ZigBee設(shè)備間的綁定和數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)試終端將電氣參數(shù)發(fā)往其他設(shè)備。

1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理

ZigBee協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)中，最下面的兩層是介質(zhì)接入控制子層（MAC）和物理層，這兩層是由IEEE 802.15.4定義的，而上面的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層才是由ZigBee聯(lián)盟定義的。網(wǎng)絡(luò)層（NWK）負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)；而應(yīng)用支持子層（APS）可使用NWK提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和安全等服務(wù)。此外應(yīng)用層還可以通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置和訪問(wèn)，提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定管理服務(wù)。用戶程序則通過(guò)240個(gè)端點(diǎn)與APS對(duì)接，實(shí)現(xiàn)用戶功能。實(shí)現(xiàn)ZigBee任務(wù)的關(guān)鍵就是在應(yīng)用層或者ZDO層中配置原語(yǔ)，單片機(jī)的任務(wù)就是不斷地執(zhí)行各種ZigBee協(xié)議棧任務(wù)。

2 ZigBee硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee硬件設(shè)計(jì)

ZigBee相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)包括兩方面：一是以MRF24J40和PIC18LF4620為核心的射頻電路；二是提供ZigBee網(wǎng)絡(luò)分析的ZENA電路板。

MRF24J40的硬件電路包含去耦電路、平衡－不平衡變換電路和時(shí)鐘振蕩電路［2］。與單片機(jī)相連的則是4線的串行SPI接口，它有中斷、喚醒和復(fù)位功能。用戶應(yīng)用程序通過(guò)端點(diǎn)服務(wù)接口傳到APS，再依次往下傳至物理層，最后通過(guò)SPI控制MRF24J40將數(shù)據(jù)通過(guò)天線以電磁波形式發(fā)送出去，接收方的天線收到數(shù)據(jù)后則將數(shù)據(jù)逐層向上傳遞，請(qǐng)求應(yīng)用層處理。在進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)至少需要3個(gè)這樣的最小系統(tǒng)板，其中一個(gè)作為協(xié)調(diào)器，另兩個(gè)作為終端設(shè)備或路由器。

ZENA電路板的核心是PIC18LF2550和MRF24J40，MRF24J40用于接收空氣中的電磁波并傳給單片機(jī)處理，最終通過(guò)USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。而ZENA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視窗口就是該USB對(duì)接的界面，這樣通過(guò)天線接收到的數(shù)據(jù)被還原成幀的形式顯示出來(lái)，由此就可以判斷ZigBee設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。

2.2 ZigBee軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)議棧是通過(guò)下層的服務(wù)完成自己的功能，同時(shí)對(duì)上層提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信是在對(duì)等的層次上進(jìn)行的，而這些服務(wù)是設(shè)備中的實(shí)體通過(guò)發(fā)送服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的［3］。原語(yǔ)中又包含很多參數(shù)，構(gòu)造應(yīng)用層的程序其實(shí)也就是對(duì)該服務(wù)相關(guān)的原語(yǔ)參數(shù)進(jìn)行賦值。綁定的原語(yǔ)為：APSME－BIND.request｛SrcAddr，SrcEndpoint，Clusterld，DstAddrMode，DstAddr，DstEndpoint｝。

該原語(yǔ)最前面的APSME表示這是一個(gè)APS服務(wù)原語(yǔ)，因此在執(zhí)行ZigBee任務(wù)時(shí)將被送到APS.c文件執(zhí)行。原語(yǔ)里的參數(shù)依次表示發(fā)送該原語(yǔ)設(shè)備的源地址、哪個(gè)端點(diǎn)發(fā)送該原語(yǔ)的、哪個(gè)簇標(biāo)識(shí)符與目的設(shè)備綁定、目的地址模式是64位物理地址還是16位網(wǎng)絡(luò)短地址、目的設(shè)備的地址值，以及將被送到目的設(shè)備的哪個(gè)端點(diǎn)執(zhí)行。因此要向某設(shè)備發(fā)送綁定請(qǐng)求，首先要定義好使用哪個(gè)端點(diǎn)和簇ID來(lái)執(zhí)行，并且要知道自己和對(duì)方的地址，對(duì)各參數(shù)賦值完畢后就令currentPremitive＝APSME＿BIND＿request，設(shè)備就成功發(fā)送綁定請(qǐng)求了，并等待后續(xù)響應(yīng)。

3 電壓采樣電路和測(cè)頻電路

由于電力線路是高電壓的交流電，而PIC18LF4620只能采樣小于3.3V的直流電壓，因此線路的電壓都要經(jīng)過(guò)變壓器或互感器降壓后再經(jīng)過(guò)絕對(duì)值線路整流。本文選用電流型的精密微型電壓互感器HPT304，互感器應(yīng)用電路如圖1所示。通過(guò)運(yùn)算放大器輸出，二次負(fù)載基本為0。被測(cè)的輸入電壓VIN通過(guò)限流電阻RIN限流，產(chǎn)生的0～2mA電流通過(guò)微型電壓互感器。HPT304感應(yīng)出相同的0～2mA。通過(guò)運(yùn)算放大器可以調(diào)節(jié)反饋電阻R值在輸出端得到所要求的電壓輸出，而電容C及電阻r是用來(lái)補(bǔ)償相位差的。限流電阻RIN要有足夠大的功率。

圖1 互感器應(yīng)用電路

絕對(duì)值線路的作用是將交流變成直流，線路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。絕對(duì)值線路和絕對(duì)值線路仿真波形如圖2和圖3所示。圖2放大倍數(shù)是R2／R1＝5，選用的兩個(gè)運(yùn)算放大器最好是同在一個(gè)芯片上，這樣出來(lái)的半波才會(huì)對(duì)稱。

圖2 絕對(duì)值線路

圖3 絕對(duì)值線路仿真波形

用單片機(jī)算出交流電壓的有效值，也必須先測(cè)出交流電壓的頻率，再根據(jù)頻率確定每一個(gè)點(diǎn)的采樣周期。這樣計(jì)算的有效值才不會(huì)隨頻率的變化而變化。測(cè)頻電路和測(cè)頻電路輸出波形如圖4和圖5所示。

圖4 測(cè)頻電路

圖5 測(cè)頻電路輸出波形

電壓有效值表達(dá)式為：

式中：N為每個(gè)電源周期采樣點(diǎn)數(shù)，uk為電壓第k點(diǎn)的采樣值。本文N為64。輸入波形與采樣脈沖如圖6所示。

圖6 輸入波形與采樣脈沖

4 測(cè)試結(jié)果

本文的綁定實(shí)驗(yàn)采用間接綁定的方法，即由協(xié)調(diào)器來(lái)建立綁定表，兩終端節(jié)點(diǎn)分別向協(xié)調(diào)器請(qǐng)求綁定。請(qǐng)求綁定的終端設(shè)備要給協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，不過(guò)請(qǐng)求的簇為0x20，且端點(diǎn)為ZDO（0x00），因此該請(qǐng)求到達(dá)協(xié)調(diào)器后會(huì)進(jìn)入ZDO處理綁定請(qǐng)求任務(wù)。從節(jié)點(diǎn)綁定的ZENA分析圖可以看到，應(yīng)用層最后面的AF數(shù)據(jù)幀包含了終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求綁定的所有信息，如果兩設(shè)備的輸入簇和輸出簇對(duì)應(yīng)，模板標(biāo)識(shí)符也一樣，就能在協(xié)調(diào)器中建立綁定表。這里的輸入簇和輸出簇都是Test模板的緩沖請(qǐng)求簇（0x1C）。需要說(shuō)明的是，當(dāng)兩個(gè)終端設(shè)備分別向協(xié)調(diào)器請(qǐng)求綁定后，協(xié)調(diào)器還要分別發(fā)送UnBind＿req和Bind＿req給各終端，并根據(jù)給出的響應(yīng)設(shè)置標(biāo)志位，當(dāng)所有的工作完成后才能給請(qǐng)求綁定的設(shè)備發(fā)送簇（ID為end＿device＿bind＿rsp）完成綁定。由于篇幅所限這里直接給出綁定的結(jié)果，協(xié)調(diào)器串口輸出如圖7所示。

綁定成功后，終端設(shè)備只需標(biāo)明簇標(biāo)識(shí)符就可以將數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送給綁定表中對(duì)應(yīng)輸入簇的設(shè)備。協(xié)調(diào)器收到終端采樣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為電網(wǎng)頻率和有效值，在下一個(gè)工作周期內(nèi)，協(xié)調(diào)器就會(huì)將數(shù)據(jù)根據(jù)綁定表傳遞給目的設(shè)備，目的設(shè)備收到數(shù)據(jù)后就能進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。值得一提的是，由于ZigBee協(xié)議棧本身的限制，數(shù)據(jù)最快也只能0.5s更新一次。

圖7 協(xié)調(diào)器串口輸出

結(jié) 語(yǔ)

本文組建了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并由協(xié)調(diào)器統(tǒng)一管理綁定表，實(shí)現(xiàn)了電壓有效值和頻率的遠(yuǎn)程監(jiān)控，經(jīng)過(guò)ZENA分析測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定。以PIC18LF4620為核心的單片機(jī)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，適合用于電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于深入分析協(xié)議棧應(yīng)用層原理，提供了使用Microchip ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綁定的方法，并將電氣在線監(jiān)測(cè)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］呂鑫，王忠.ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（4）：332－335.

［2］黃智偉，何娜.基于 MRF24J40的IEEE 802.15.4無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)［J］.軍事通信，2008，21（1）：36－38.

［3］呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開(kāi)發(fā)［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2008.

［4］Microchip.ZENA Wireless Network Aanlyzer user's guide.［EB／OL］.［2011－09］.http：／／www.microchip.com.

［5］Microchip.ZigBee－2006Residential Stack Protocol ［EB／OL］.［2011－09］.http：／／www.microchip.com.

［6］江和.PIC16系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與PROTEUS仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［7］李文仲，段朝玉.PIC單片機(jī)與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［8］李文仲等.ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［9］王汝文，宋政湘，張國(guó)鋼.電器智能化原理及應(yīng)用［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.