賀喜玲

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院輕工職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，河南鄭州450000)

基于無線傳感網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀喜玲

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院輕工職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，河南鄭州450000)

利用TI公司的低功耗ZigBee網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片CC2531，構(gòu)建了基于IEEE802.15.4協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以無線傳感網(wǎng)為底層通信主體，以各種傳感器為數(shù)據(jù)采集的載體，形成了自下而上的電源控制體系，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。運(yùn)行結(jié)果證明，該方案ZigBee芯片所具有的休眠功能極大地降低了系統(tǒng)的損耗，形成了控制靈活、成本低、功耗小的運(yùn)行特征。

通信網(wǎng)絡(luò)；電源系統(tǒng)；在線監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)

無線傳感網(wǎng)(wireless sensor networ，WSN)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建體系，集信息采集、處理、無線傳輸于一體，具有構(gòu)建靈活、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)可行的基本運(yùn)行特征。它的出現(xiàn)給人類的生產(chǎn)和生活帶來了深遠(yuǎn)的影響。在環(huán)境監(jiān)控、電氣控制、國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低成本、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的方案[2]。ZigBee技術(shù)工作在 2.4 GHz免費(fèi)頻帶范圍內(nèi)，基礎(chǔ)為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可以在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)地通信，而每個(gè)傳感器只需很少的能量，就可以以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)靈活、安全可靠性高及能量消耗低的優(yōu)點(diǎn)。

目前，ZigBee是發(fā)展最快、市場應(yīng)用非常廣泛的短距離通信技術(shù)之一。在工業(yè)控制、樓宇智能化、電子消費(fèi)、醫(yī)療控制等多個(gè)領(lǐng)域具有比較成熟的產(chǎn)品。本文借助ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，以通信網(wǎng)絡(luò)中分布式電源為監(jiān)控的主體，形成了自下而上的控制體系。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)監(jiān)測的功能需求，系統(tǒng)采取四層的總體結(jié)構(gòu)，這四層分別為數(shù)據(jù)采集及控制層、通信層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及表現(xiàn)層和客戶應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集及控制層，由各種傳感器、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，主要實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中電源運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制命令的執(zhí)行；通信層是底層采集數(shù)據(jù)向上傳送的通道，核心部件是一個(gè)嵌入式芯片或現(xiàn)場PC機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)，使底層的數(shù)據(jù)通信與公共傳輸網(wǎng)相連接。當(dāng)使用現(xiàn)場PC機(jī)時(shí)，可以在這一層加設(shè)一定規(guī)模的數(shù)據(jù)庫，以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理功能，從而達(dá)到加速現(xiàn)場控制的目的；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及表現(xiàn)層的核心部件是服務(wù)器，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的中心，也是控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)重地。服務(wù)器內(nèi)設(shè)置專門用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)庫，內(nèi)存電源的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、閾值數(shù)據(jù)、分布式通信電源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、蓄電池液位標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值等，這些數(shù)據(jù)是電源運(yùn)行時(shí)的正常值及閾值范圍，用來與上傳的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，以確定電源的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中還要存放相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以便更為靈活地掌握電源設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；表現(xiàn)層的含義是利用模塊化程序設(shè)計(jì)的思想，將數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容用程序的方式在服務(wù)器中體現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)簡單方便的客戶應(yīng)用層，本設(shè)計(jì)在該模塊中特別增加了設(shè)備狀態(tài)計(jì)算分析、故障預(yù)警及診斷、電源分布拓?fù)溆?jì)算等功能，并且將這些功能利用WEB組件實(shí)現(xiàn)了與客戶應(yīng)用層的接口；系統(tǒng)的最上一層為客戶應(yīng)用層，設(shè)計(jì)采用B/S結(jié)構(gòu)，利用基于J2EE分布式多層應(yīng)用構(gòu)架技術(shù)形成Web應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地與客戶交互，接收、顯示來自服務(wù)器的計(jì)算結(jié)果，及提交用戶控制命令的動(dòng)態(tài)效果。整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 底層通信網(wǎng)絡(luò)及傳感器設(shè)計(jì)

2.1 底層通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

信息的獲取是監(jiān)控的第一步，是信息傳輸、處理和應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。在本設(shè)計(jì)中，采用無線傳感網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)信息的獲取過程。無線傳感網(wǎng)(WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各種環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集。這些信息通過各種無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)這三元世界的連通[3]。

在本設(shè)計(jì)中，所采用的無線傳感網(wǎng)的基本體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。底層數(shù)據(jù)采集部分由傳感器節(jié)點(diǎn)群來構(gòu)成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，本設(shè)計(jì)中采用ZigBee節(jié)點(diǎn)CC2530來構(gòu)成，中間的Sink節(jié)點(diǎn)采用能量較強(qiáng)的嵌入式節(jié)點(diǎn)，作為整個(gè)傳感器的匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖2 無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器選擇分析

在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，系統(tǒng)運(yùn)行過程的自動(dòng)監(jiān)測，需要用到各種具有不同功能的傳感器，因此傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)器件，直接影響到自動(dòng)化技術(shù)的質(zhì)量和水平。在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)電源的監(jiān)控過程中，需要對(duì)電源本身的電壓、電流、溫度、液位等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)還要對(duì)環(huán)境的溫度、濕度、煙霧、門禁情況進(jìn)行異常報(bào)警，因此，傳感器的選擇是一個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

在本設(shè)計(jì)中，由于電源運(yùn)行時(shí)主要參數(shù)是電流和電壓，因此，本設(shè)計(jì)主要分析電流與電壓傳感器的選擇。

19世紀(jì)，美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了金屬中所具有的霍爾效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，這種效應(yīng)在半導(dǎo)體中展現(xiàn)出更為直觀的表現(xiàn)。因此，以霍爾效應(yīng)為依托的半導(dǎo)體器件成為傳感器家族中很重要的一員。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體放在磁場中時(shí)，當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時(shí)，在導(dǎo)體的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象可以用式(1)來表示。

霍爾元件具有體積小、外圍電路簡單、動(dòng)態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。從式(1)中可以看出，當(dāng)霍爾元件確定之后，就成為定值，因此，當(dāng)磁場強(qiáng)度不變時(shí)，傳感器輸出正比于激勵(lì)的電流，這樣就可以實(shí)現(xiàn)與電流有關(guān)的物理量的測量，例如電流或電壓。在本設(shè)計(jì)中，電源系統(tǒng)的電流和電壓等參數(shù)值就是通過霍爾電流/電壓傳感器來測量。

在終端節(jié)點(diǎn)上，利用CC2530的連續(xù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換能力獲取隨時(shí)間變化的采樣電壓或電流值，采樣結(jié)果一方面通過DMA傳輸，一方面利用LCD進(jìn)行顯示。而ADC的連續(xù)采樣主要是通過ADCCFG、ADCCON2和ADCCON1寄存器完成輸出電壓或電流的采樣工作。具體過程為首先設(shè)置DMA，并將DMA通道0作為數(shù)據(jù)傳輸通道，然后設(shè)置定時(shí)器1作為ADC連續(xù)采樣的觸發(fā)事件，從信道7進(jìn)行ADC連續(xù)采樣。具體代碼為：

為了提高采樣的精確度，節(jié)點(diǎn)還選用了 ADC_SEQUENCE_SETUP和ADC_TRIGGER_FORM來實(shí)現(xiàn)具體的采樣過程。

CC2530具有4種不同的功耗模式：PM0、PM1、PM2、PM3，其中PM0為全功能運(yùn)行模式，功耗較高，PM3為休眠模式，功耗很低。在運(yùn)行過程中，CC2530會(huì)根據(jù)晶振的工作狀態(tài)來決定工作模式，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過程的低功耗。

3 總結(jié)

本文較為詳盡地闡述了通信網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了底層數(shù)據(jù)采集的構(gòu)建過程。整個(gè)底層數(shù)據(jù)采集層由無線傳感網(wǎng)來組成，核心通信技術(shù)采用ZigBee，組成短距離多跳自組織數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。電源電壓與電流采用霍爾電壓或電流傳感器來實(shí)現(xiàn)，并利用CC2530中的DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣及上傳功能。

[1]韓磊，曹欲曉，田麗鴻.無線傳感網(wǎng)的一種鄰居搜索方法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2011(3)：60-62.

[2]楊峰，孫玲玲，汪大卓.一種基于無線傳感網(wǎng)的呼叫服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(10)：23-25.

[3]高守瑋.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：1-3.

Design of power communication network control system based on wireless sensor network

Using the TI company's low-power ZigBee transceiver chip CC2531 network,a communication network power supply control system based on IEEE802.15.4 agreement was built.The wireless sensor network was put as the main body of the underlying communication,and a variety of sensors for data acquisition of the carrier was put.A bottom-up power control system was formed,and the reliability of the system's running was ensured.Running results show that the scheme of ZigBee chip with sleep function greatly reduce the loss of the system,and the formed has the characteristics of flexible control,running of low cost,low consumption.

communication network;power supply system;on-line monitoring;wireless sensor network

TM 762

A

1002-087 X(2016)03-0723-02

2015-10-13

賀喜玲(1981—)，女，河南省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。