楊建旭，姚愛琴，孫運(yùn)強(qiáng)，劉海龍

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

變電站的穩(wěn)定運(yùn)行與否關(guān)系到我們?nèi)粘５恼Ｓ秒?，因此對于變電站?nèi)的環(huán)境監(jiān)測顯得十分重要。通過對變電站的監(jiān)測可以有效地減少事故的發(fā)生，從而優(yōu)化變電站的運(yùn)行。目前現(xiàn)有的變電站監(jiān)測系統(tǒng)通常采用有線的方式傳輸數(shù)據(jù)，此種方式布線不方便又容易損壞［1，2］。近年來無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展很快，本設(shè)計(jì)采用ZigBee 無線通訊技術(shù)。

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是自組織、低功耗、近距離、低速率［3，4］。變電站內(nèi)的環(huán)境信息實(shí)時性要求不高，ZigBee 協(xié)議可以滿足要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)由DHT21 模塊、ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)監(jiān)控單元組成。DHT21 模塊完成變電站內(nèi)的溫濕度采集并將采集到的信息傳輸給ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳輸各個DHT21 傳感器采集到的溫濕度信息到ZigBee 協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將各個終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的溫濕度信息實(shí)時顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee 協(xié)調(diào)器主控為TI 公司的CC2530 芯 片，CC2530 用 于2.4 GHz 網(wǎng) 絡(luò)，為增強(qiáng) 型8051CPU。TI 公司推出的Z-Stack 協(xié)議棧為ZigBee 提供了一個完整的解決方案。ZigBee 協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，與ISO 國際化標(biāo)準(zhǔn)組織提出的OSI(Open System Interconnection)七層參考模型有所不同［5］，其分層結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ZigBee 協(xié)議分層示意圖

1.1 DHT21 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

由于不同地區(qū)變電站的環(huán)境參數(shù)差別很大，因此選用大量程、高精度型的溫濕度傳感器DHT21。DHT21 溫濕度傳感器為數(shù)字型傳感器，采用單總線接口，使用非常方便。與DHT11 相比，DHT21 采用電容式感溫元件和NTC 測溫元件，其量程和精度有了很大的提高。DHT21 溫度量程范圍為－40 ℃～80 ℃，精度為±1 ℃，濕度的精度在±3～±5%RH 之間，完全滿足實(shí)際的要求。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊的要求，在CC2530 的P0_7 引腳上接一個5 k 的上拉電阻，DHT21 和終端節(jié)點(diǎn)的硬件連接原理圖如圖3 所示。

圖3 DHT21 硬件原理圖

1.2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件基本一致，二者通過在IAR 中選擇相應(yīng)的設(shè)備來區(qū)分。CC2530 使用兩個晶振，32 MHz 晶振和32.768 kHz 晶振，32 MHz 晶振用于RF的工作，32.768 kHz 晶振主要用于定時器上。ZigBee 節(jié)點(diǎn)的天線可以使用PCB 天線，也可以使用SMA 接口的桿狀天線［6］，本設(shè)計(jì)使用SMA 接口的桿狀天線，其巴倫匹配電路原理圖如圖4 所示。

圖4 巴倫匹配電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

使用IAR Embedded Workbench 開發(fā)工具和TI 公司推出的ZigBee 2007 協(xié)議棧(又稱Z-Stack 協(xié)議棧)開發(fā)下位機(jī)程序。Z-Stack 協(xié)議棧也采用分層結(jié)構(gòu)，用戶開發(fā)非常方便，只需在APP 層做相應(yīng)的修改。ZigBee 的節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并具有路由功能，本系統(tǒng)不需要路由節(jié)點(diǎn)，只使用協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器上電以后首先進(jìn)行初始化，之后掃描信道并建立網(wǎng)絡(luò)，等待其他節(jié)點(diǎn)的加入或接收數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，其流程圖如圖5 所示。

圖5 ZigBee 節(jié)點(diǎn)流程圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)時顯示各個節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，需要設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件。NI 公司研發(fā)的LabVIEW 使用圖形化的編寫語言，具有簡單易學(xué)，開發(fā)效率高的優(yōu)點(diǎn)。通過使用VISA 庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)通信，首先通過VISA 配置串口子VI 設(shè)置串口號、波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)等，然后使用VISA 讀取子VI讀取串口數(shù)據(jù)，最后使用波形圖表顯示溫濕度信息。1#節(jié)點(diǎn)的程序框圖如圖6 所示，其前面板如圖7 所示，由圖7 可以看出1#節(jié)點(diǎn)的溫度為23 ℃左右，濕度在38%～39%RH之間。

圖6 1#節(jié)點(diǎn)程序框圖

圖7 1#節(jié)點(diǎn)前面板

3 結(jié)論

本文對比了ZigBee 協(xié)議與OSI 七層參考模型的異同，使用DHT21 模塊和Z-Stack 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了變電站各個節(jié)點(diǎn)溫濕度的實(shí)時傳輸，并使用LabVIEW 平臺開發(fā)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)變電站各個節(jié)點(diǎn)溫濕度的實(shí)時顯示。測試表明:該系統(tǒng)具有功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、成本小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

［1］張林.基于ZigBee 的變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2014.

［2］郭耀華.基于ZigBee 的變電站節(jié)點(diǎn)溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.唐山學(xué)院學(xué)報，2013，26(6):54－57.

［3］衣翠平，柏逢明.基于ZigBee 技術(shù)的CC2530 糧庫溫濕度檢測系統(tǒng)研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2011，34(4):53－57.

［4］徐朋豪，馮玉光，奚文駿，等.基于ZigBee 的無線溫濕度采集系統(tǒng)研究［J］.國外電子測量技術(shù)，2013，32(1):33－36.

［5］雷霖，董華莉.基于ZigBee 協(xié)議的煤礦瓦斯和溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動化，2011(1):32－34.

［6］王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.5.