姚 冬，符傳福，陳欽柱，胡 微

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海南?？?570311；2.海南鼎立信科技有限責(zé)任公司，海南?？?570311）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過先進的傳感技術(shù)、通信技術(shù)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)、智能感知[1-3]。ZigBee 技術(shù)是一種典型的無線通信技術(shù)，具有低速率、低功耗、低成本、短距離以及能夠自組網(wǎng)的特點[4-7]，在智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制中廣泛應(yīng)用[8-10]。

充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是保障電動汽車迅速發(fā)展與推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。2020 年3 月，國家更是將充電設(shè)施建設(shè)作為七大“新基建”之一，積極推薦充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。充電站結(jié)合本地光能資源以及儲能技術(shù)，構(gòu)建光儲充一體化充電站是實現(xiàn)清潔能源消納、環(huán)境保護的新思路之一[11-12]。而光儲充電站的智能控制與安全監(jiān)測依賴于穩(wěn)定的通信系統(tǒng)，因此，文中將ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于光儲充電站，實現(xiàn)光儲充電站的智能感知與協(xié)同控制[13-16]。

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)

ZigBee 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其包括物理層、介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。

圖1 ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

物理層處于ZigBee 協(xié)議棧的最底層，是整個ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)信號的接收與發(fā)送，具備信道能量測量、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量檢測、無線信道接入方式選擇等功能。

介質(zhì)訪問層實現(xiàn)無線信道的接入控制，能夠控制設(shè)備之間的通信狀態(tài)。既能為設(shè)備之間建立可靠的通信鏈路，又能斷開設(shè)備之間冗余或不穩(wěn)定的通信鏈路。

網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是管理通信網(wǎng)絡(luò)，具備發(fā)起構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)、路由尋址及數(shù)據(jù)加密等功能[17]。

應(yīng)用層的主要作用是在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)各種工程應(yīng)用，其由應(yīng)用支撐子層、應(yīng)用對象與ZigBee 設(shè)備對象共三部分構(gòu)成。應(yīng)用支持子層實現(xiàn)綁定設(shè)備列表的維護，匹配具有不同服務(wù)需求的兩個設(shè)備；應(yīng)用對象主要用于實現(xiàn)使用者需求的不同業(yè)務(wù)功能；ZigBee 設(shè)備對象主要是實現(xiàn)不同設(shè)備節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)角色管理，建立不同節(jié)點之間的通信網(wǎng)絡(luò)并通過安全機制保障應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全傳輸。

1.2 ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包括終端節(jié)點、路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器3 種類型，終端節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集上傳以及接收來自上級的信息；路由器實現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)路徑的選擇與路由尋址；協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組建、初始化與協(xié)調(diào)控制。

如圖2 所示，根據(jù)組網(wǎng)形式，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為星型、樹型與網(wǎng)狀3 種。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)成本低的優(yōu)點，但整個無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸依賴于協(xié)調(diào)器的性能。協(xié)調(diào)器的故障將導(dǎo)致整個無線網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，因此星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于信息規(guī)模較小的場景。

樹型結(jié)構(gòu)下協(xié)調(diào)器連接多個路由節(jié)點或終端節(jié)點，同時路由器也可連接多個路由節(jié)點或終端節(jié)點。樹型網(wǎng)絡(luò)中，信息由源節(jié)點傳輸至目標(biāo)節(jié)點的路徑是唯一的。當(dāng)傳輸路徑較長時，網(wǎng)絡(luò)開銷成本也較大，因此樹型網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)絡(luò)容量需求較小但覆蓋面積需求廣的場景[18]。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器、多個路由節(jié)點與終端及終端節(jié)點構(gòu)成，其中協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式靈活，信息傳輸具有多條可選的路徑。某個節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸，具有可靠性高、節(jié)點消耗低的優(yōu)點，因此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)適用于網(wǎng)絡(luò)容量需求大、節(jié)點數(shù)目多的場景。

2 智能感知生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

文中將基于ZigBee 自組網(wǎng)的智能感知控制技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中光儲充電站控制系統(tǒng)，實現(xiàn)光儲充電站中充電設(shè)備有序充電與光儲發(fā)電系統(tǒng)出力的智能感知與協(xié)同控制。

光儲充電站智能感知協(xié)同控制系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖3 所示。光儲充電站包括直流充電設(shè)備、交流充電設(shè)備、光伏設(shè)備與儲能設(shè)備等電氣設(shè)備，每臺電氣設(shè)備均具有數(shù)據(jù)信息采集功能，再嵌入ZigBee無線通信模塊。終端設(shè)備采用全功能設(shè)備，具有路由功能，既作為終端節(jié)點，又可以作為路由節(jié)點。終端設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee 無線自組網(wǎng)絡(luò)傳輸至集中控制器；集中控制器匯總所有終端設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，通過RS485通信串口傳輸至光儲充電站控制中心；光儲充電站運行優(yōu)化決策算法，得到各臺終端設(shè)備的最優(yōu)運行狀態(tài)，并通過集中控制器將控制指令下發(fā)至每臺終端設(shè)備，實現(xiàn)光儲充一體化最優(yōu)運行決策。

圖3 光儲充電站智能感知與協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 硬件模塊設(shè)計

集中控制器是光儲充電站智能感知與協(xié)同控制系統(tǒng)的核心，為實現(xiàn)邏輯控制計算、ZigBee 無線通信與串口通信功能，其主要包含4部分硬件模塊，如圖4所示。

圖4 集中控制器硬件模塊架構(gòu)

1）核心模塊設(shè)計

核心模塊是集中控制器的核心，綜合存儲容量、處理速度、外接接口等多方面的需求。文中的控制芯片選用STM32F103xE 系列芯片，其最大頻率高達72 MHz，具備512 kB 存儲器、112 個I/O 接口和多種通信接口，能夠滿足光儲充電站智能感知與協(xié)同控制算法的需求。

2）ZigBee 無線通信模塊

CC2530 芯片具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強、功耗低等諸多優(yōu)點，文中選用其作為ZigBee 無線通信模塊的主控芯片。同時通過CC2591 功放芯片來增加信號的傳輸距離，此外通信模塊還包括電源、串口通信、按鍵等外圍電路。ZigBee 無線通信模塊的框架如圖5 所示。

圖5 ZigBee無線通信模塊設(shè)計框圖

3）串口通信模塊

文中選擇串口通信方式，為了實現(xiàn)集中控制器與光儲充電站控制中心的通信，仍需增加USB 轉(zhuǎn)串口模塊，文中選取CH340 芯片實現(xiàn)。串口通信模塊電路設(shè)計框圖如圖6 所示。

圖6 串口通信模塊設(shè)計框圖

2.3 軟件功能設(shè)計

光儲充電站智能感知與協(xié)同控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，主要功能包括光儲充協(xié)同控制、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。其軟件主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件主程序流程

3 實驗測試

在上述基于ZigBee 技術(shù)的光儲充電站智能感知與協(xié)同控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，搭建了實驗測試平臺。ZigBee 無線自組網(wǎng)絡(luò)需保障協(xié)調(diào)器與終端的距離必須在一定范圍內(nèi)，以維持穩(wěn)定的信號強度，保障數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。文中采用接收信號強度指標(biāo)（Received Signal Strength Indicator，RSSI）衡量一定距離下，無線網(wǎng)絡(luò)的信號強度。常規(guī)ZigBee 無線自組網(wǎng)絡(luò)的RSSI 界限在-85～95 dBm 范圍內(nèi)，當(dāng)RSSI低于最低限制時，信號強度將無法保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。僅采用CC2530芯片與采用CC2530+CC2591功放芯片的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)信號強度對比，如表1～2所示。

表1 CC2530芯片ZigBee網(wǎng)絡(luò)信號強度

表2 CC2530+CC2591芯片ZigBee網(wǎng)絡(luò)信號強度

可見隨著距離的增加，RSSI 逐漸減小。ZigBee無線通信模塊在僅采用CC2530 芯片的方案下，當(dāng)距離大于70 m 時，信號強度不能滿足ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)要求；而采用CC2530+CC2591 芯片方案，當(dāng)距離為70 m 時，RSSI 為-73.8 dBm，仍滿足通信要求，極限通信距離更是高達350 m。

4 結(jié)束語

文中分析了ZigBee 技術(shù)原理，并將其應(yīng)用于光儲充電站的生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，提出了基于ZigBee 自組網(wǎng)的光儲充電站智能感知與協(xié)同控制系統(tǒng)方案，且對關(guān)鍵硬件模塊與軟件功能進行設(shè)計。最終搭建實驗平臺進行測試，結(jié)果表明，文中所提設(shè)計方案采用ZigBee 無線通信芯片+功率放大芯片，相比于未采用功率放大芯片的設(shè)計方案，極限通信距離由70 m增大至350 m，能夠顯著提高ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的有效通信距離，保障ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。