王靜+周靜

摘要：針對(duì)目前對(duì)電力機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求與運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一基于ZigBee技術(shù)的電力機(jī)房運(yùn)行情況環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，包括協(xié)調(diào)中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩種，并且采用德州儀器公司的低功耗芯片CC2530作其通信模塊?；诖耍仃U述了節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成和軟件程序流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)足電力機(jī)房監(jiān)控的需要，監(jiān)測(cè)到異?？杉皶r(shí)進(jìn)行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)；機(jī)房監(jiān)控；環(huán)境檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.05.094

1引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了新設(shè)計(jì)思路。隨著無(wú)人值守變電站的廣泛使用，現(xiàn)有的電力機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集傳輸問(wèn)題亟待解決。之前普遍應(yīng)用的有線(xiàn)數(shù)據(jù)采集方式因?yàn)槭艿降牡匦魏蛷?fù)雜環(huán)境因素帶來(lái)的影響多，布線(xiàn)復(fù)雜、維護(hù)困難、使用成本很高，已不再適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)需要。

ZigBee技術(shù)作為新型無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)中的一種，因其具有功耗低，低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)的容量大、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于短距離內(nèi)的低速率數(shù)據(jù)傳輸。本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電力機(jī)房，并結(jié)合各種傳感器，可以有效的解決過(guò)去的檢測(cè)方式存在的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)快速、方便地檢測(cè)電力機(jī)房的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。

2關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1ZigBee

ZigBee是一種嶄新的近程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其在嵌入式設(shè)備中的使用是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的新熱點(diǎn)之一。ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)是其支持自組網(wǎng)能力強(qiáng)，且自恢復(fù)能力強(qiáng)；它采用蜂巢結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個(gè)設(shè)備不僅能通過(guò)多個(gè)方向與網(wǎng)關(guān)通信，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；另外每個(gè)設(shè)備還擁有信號(hào)中繼功能，可將無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)?000米以外。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型結(jié)構(gòu)拓?fù)?、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)?、簇狀結(jié)構(gòu)拓?fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2傳感器技術(shù)

傳感器是當(dāng)代息技術(shù)支柱產(chǎn)業(yè)之一.隨著現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展，傳感技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的作為新興學(xué)科也得到了迅速的發(fā)展，并且在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量、航天技術(shù)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科被廣泛地利用，對(duì)各學(xué)科的發(fā)展也有促進(jìn)作用。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，由感知電路和信號(hào)處理電路組成。電力機(jī)房環(huán)境檢測(cè)通常需要使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器。

煙霧傳感器：電力機(jī)房中有很多電器元件，由于元件老化或者設(shè)備運(yùn)行的問(wèn)題，機(jī)房?jī)?nèi)常有火災(zāi)隱患?；馂?zāi)的初期，燃燒物質(zhì)多處于暗燃狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生大量的煙，所以在電力機(jī)房中安裝煙霧傳感器可以起到預(yù)報(bào)警的作用。本系統(tǒng)選用21R088光電煙霧傳感器。

溫濕度傳感器：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房中溫控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，本系統(tǒng)配備了一種全新智能溫濕度傳感器（SHT11），這樣可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)的采集電力機(jī)房?jī)?nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，該傳感器因其具有良好的實(shí)時(shí)性、高精的測(cè)量精度、強(qiáng)大的抗干擾能力等特點(diǎn)，廣泛用于各種溫度監(jiān)控及溫度測(cè)控系統(tǒng)中。

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：終端環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及信息綜合處理層等部分。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端路由節(jié)點(diǎn)來(lái)組成，這里協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中樞，它負(fù)責(zé)組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立并在組網(wǎng)完成后監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。終端傳感器節(jié)點(diǎn)則是各類(lèi)帶有ZigBee芯片的傳感器。

協(xié)調(diào)器與上位機(jī)由USB串口相連，路由器在數(shù)據(jù)上行側(cè)與服務(wù)器相連，完成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。服務(wù)器用來(lái)存放電力機(jī)房的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)Web站點(diǎn)發(fā)布出去?？偱_(tái)的遠(yuǎn)程用戶(hù)可以由遠(yuǎn)程終端訪(fǎng)問(wèn)Web站點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制機(jī)房特定設(shè)備。

4硬件設(shè)計(jì)介紹

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的配置是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在，而對(duì)于本無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)來(lái)說(shuō)，所關(guān)注的重點(diǎn)是各類(lèi)傳感器的選擇和無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的硬件主要包括終端傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊兩大部分。

4.1終端節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的底層設(shè)備，以德州儀器公司的CC2530芯片為核心，是帶有各類(lèi)傳感功能的網(wǎng)絡(luò)子點(diǎn)。圖3為終端節(jié)點(diǎn)的硬件組成圖。CC2530是一個(gè)真正用于802.15.4的ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，它可以以降低的成本來(lái)組建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530可以實(shí)現(xiàn)的功能共有3部分：（1）通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集；（2）由無(wú)線(xiàn)RF模塊完成所得數(shù)據(jù)的收發(fā)；（3）控制開(kāi)關(guān)繼電器做出動(dòng)作。終端節(jié)點(diǎn)模塊主要由電源、外接模塊、開(kāi)關(guān)繼電器、RF收發(fā)器和顯示器等部分組成。

（1）RF收發(fā)器，該收發(fā)器的外圍電路為特性阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，所用天線(xiàn)為負(fù)極性天線(xiàn)；兩者的對(duì)應(yīng)接口情況為：Pin25與RF_N鏈接，Pin26與RF_P聯(lián)結(jié)。

（2）開(kāi)關(guān)繼電器，應(yīng)用CC2530芯片發(fā)出的驅(qū)動(dòng)的信號(hào)控制開(kāi)關(guān)繼電器中的電磁線(xiàn)圈的開(kāi)與閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能服務(wù)設(shè)備電源電路的閉合開(kāi)路控制。

（3）LED顯示，該模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的組網(wǎng)狀態(tài)的顯示以及個(gè)基點(diǎn)自身測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。

（4）電源部分，在電源模塊中，采取鋰電池供電模式。使用正穩(wěn)壓器集成DC-DC變換器LM317為系統(tǒng)提供2.4V的輸出電壓，向系統(tǒng)供電。

（5）傳感器模塊外接模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路。

4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和控制指令的傳輸和數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，然后在PC機(jī)和服務(wù)器完成數(shù)據(jù)發(fā)布。為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互和實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了小鍵盤(pán)及液晶顯示器，如圖4所示。

（1）串口通信模塊，該模塊選用常用的8251A芯片，它是一種可進(jìn)行編程的通用同步/異步接收發(fā)送器，常作為串行通信接口，使用起來(lái)非常方便靈活。

（2）顯示器部分，顯示器主要負(fù)責(zé)顯示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)工作狀臺(tái)，這里選用LCD12864液晶顯示器，采用SPI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸傳輸形式。

（3）按鍵模塊，按鍵模塊為4×3矩陣鍵盤(pán)，主要是數(shù)字鍵0到9以及刪除和發(fā)送等命令。

5軟件設(shè)計(jì)介紹

系統(tǒng)通信頻段選用公共頻率2.4GHz，此時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸速率為250kbit/s。采用IEEE802.15.4協(xié)議中的載波檢測(cè)多路訪(fǎng)問(wèn)碰撞避免機(jī)制來(lái)避免通信沖突，在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的過(guò)程中，任何設(shè)備需要發(fā)送信息，都必須先發(fā)出一個(gè)空閑信道評(píng)估（CCA）指令來(lái)確定該信道是否空閑，當(dāng)確定信道未被占用之后才進(jìn)行信息發(fā)送。

5.1協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)同意節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息等。協(xié)調(diào)器是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器自組網(wǎng)絡(luò)的核心部分，由它來(lái)選取該網(wǎng)絡(luò)的NAI（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符），并檢測(cè)其他要求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，對(duì)符合要求的入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定；接收由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來(lái)的測(cè)量值，然后對(duì)這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理；再通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)端進(jìn)行分析和后續(xù)處理。所以，這里的協(xié)調(diào)器需要實(shí)時(shí)的處于激活的工作模式，不間斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。協(xié)調(diào)器的具體工作流程如圖5所示。

5.2終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，直到得到協(xié)調(diào)器返回允許入網(wǎng)的回應(yīng)，并自動(dòng)的加入到網(wǎng)絡(luò)中；若是沒(méi)能找到協(xié)調(diào)器，終端傳感器節(jié)點(diǎn)則會(huì)進(jìn)行周期性的搜尋，直到得到協(xié)調(diào)器的回應(yīng)。終端節(jié)點(diǎn)加入到由協(xié)調(diào)器組件的網(wǎng)絡(luò)之后，它就會(huì)和協(xié)調(diào)器一樣，具有數(shù)據(jù)收發(fā)功能，終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)利用傳感器去采集周?chē)沫h(huán)境數(shù)據(jù)，并接受協(xié)調(diào)器的控制指令對(duì)執(zhí)行器做出操作。

出于對(duì)終端傳感器節(jié)點(diǎn)在減少電能損耗方面的考慮，我們的各類(lèi)節(jié)點(diǎn)都盡量選用了低功耗的芯片和信號(hào)發(fā)射器，但是即便如此終端節(jié)點(diǎn)的能耗相對(duì)于他自身的電池容量還是很巨大的；基于此，在系統(tǒng)中為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置了數(shù)據(jù)采集和休眠兩中運(yùn)行模式。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功之后，上位機(jī)的應(yīng)用程序會(huì)收到回復(fù)，工作人員在上位機(jī)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，設(shè)置休眠時(shí)間和采集頻率H，之后終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)開(kāi)啟休眠模式，直到休眠結(jié)束，降低終端節(jié)點(diǎn)的耗電量。周期數(shù)據(jù)采集期間，終端節(jié)點(diǎn)安著設(shè)置的采集頻率和采集時(shí)間間隔對(duì)周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，完成一個(gè)周期的書(shū)籍采集任務(wù)后，節(jié)點(diǎn)又會(huì)自動(dòng)回到休眠狀態(tài)。

對(duì)于需要完成一定控制任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，則會(huì)循環(huán)接收協(xié)調(diào)器廣播發(fā)出的命令信息，當(dāng)接收到指令并經(jīng)過(guò)識(shí)別是發(fā)給自己的指令，然后終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始操作執(zhí)行器，完成指令操作。終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在某電力機(jī)房?jī)?nèi)布置若干傳感器節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的溫度、火焰、煙霧進(jìn)行監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)放置在機(jī)房的控制中心。對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試時(shí)，從中選取出4組環(huán)境數(shù)據(jù)，表1所示是實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析可以得出終端傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的最大距離不應(yīng)超過(guò)10米，因?yàn)槭覂?nèi)的設(shè)備比較多，這對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)傳輸有很大的影響；而反觀(guān)終端節(jié)點(diǎn)同協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在10米以?xún)?nèi)的時(shí)候，兩者相距越近時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸就會(huì)越快速準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)中所用到的溫度傳感器的測(cè)量精度很高，其平均測(cè)量誤差在百分之1.3左右，是在可控范圍之內(nèi)的。

另外在進(jìn)行煙霧濃度和火焰的測(cè)試時(shí)，傳感器所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，當(dāng)上位機(jī)檢測(cè)到量值超出了設(shè)定范圍，就會(huì)把發(fā)生變化的位置變?yōu)榧t色在上位機(jī)屏幕上顯示，同時(shí)給控制中心管理員的手機(jī)發(fā)報(bào)警。

7總結(jié)

針對(duì)目前電力行業(yè)對(duì)電力機(jī)房安全和智能化的需求，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一種電力機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有低能耗、低成本、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，上位機(jī)人機(jī)交互界面極具人性化，具有很好的通用性，非常適合在無(wú)人值守電力機(jī)房中推廣使用。

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