王東軍+林曉煥+鄭心心

摘要：在介紹開口式電流互感器采集電壓電流數(shù)據(jù)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，采用了集射頻與微控制器于一身的CC2530F256芯片作為主控制芯片設(shè)計出具有無線收發(fā)和任務(wù)處理功能的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。介紹了CC2530芯片性能及特點，重點介紹了節(jié)點硬件及軟件設(shè)計。測試結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有較好的穩(wěn)定性和較高的通信效率，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：開口式電流互感器；CC2530F256；ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）32-0259-03

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，用電量越來越大，如果電力資源分配不合理，就可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障，造成大面積停電，其次用戶側(cè)電壓電流不穩(wěn)會使設(shè)備內(nèi)的電壓隨之不穩(wěn)，如果電壓過高，會使電器的電流增大，溫度增高，引起絕緣受熱而損壞；如果電壓過低，會使設(shè)備運行不穩(wěn)定，跳閘，重啟動，甚至損壞設(shè)備。為了保證電力資源的穩(wěn)定分配，電力調(diào)度中心需要對各類信息采集設(shè)備反饋回來的數(shù)據(jù)信息，如電壓，電流，等進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對電力資源進(jìn)行合理分配。本文依據(jù)ZigBee技術(shù)以及CC2530芯片設(shè)計了一種更為方便的電壓電流數(shù)據(jù)采集方案。

基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在體積小，數(shù)據(jù)量小，網(wǎng)點多，低功耗的場合尤其適用。因為低難度系數(shù)的協(xié)議棧不被ZigBee協(xié)議授權(quán)收取專利費用，導(dǎo)致其技術(shù)代價比較小。同時因為的數(shù)據(jù)輸送效率和它本身就處在低頻段上運行，導(dǎo)致其耗能非常的低。還有就是，這種技術(shù)還可以依靠型狀、樹狀等特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行運行[1]，導(dǎo)致這種技術(shù)可以形成大節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，最高可以為65535個網(wǎng)絡(luò)點[2]，可以非常恰當(dāng)?shù)赜糜趨^(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)，因為此特點能夠勝任傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和容量的所有特征[3]，并且ZigBee終端節(jié)點可自動接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)并且ZigBee模塊具有自組網(wǎng)功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 開口式采集裝置

本設(shè)計采用了開口式的電流互感器對電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在實際使用情況中，較傳統(tǒng)采集方式更為方便，可實現(xiàn)一個采集裝置對多處數(shù)據(jù)的采集，節(jié)約成本且方便攜帶。南京圳恒通電子有限公司的ZHT-CT38K開啟式帶電流互感器具有以下特點：全封閉，機(jī)械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，輸入線圈為內(nèi)置式，安全可靠，開口式結(jié)構(gòu)便于安裝。該電流互感器的使用環(huán)境條件為：環(huán)境溫度為-40℃到+85℃，溫度為40℃時相對濕度不大于90%?？梢詽M足用戶端電壓電流的采集。其原理圖如圖1所示，根據(jù)公式1，測出采樣電流，通過一次匝數(shù)N1與二次匝數(shù)N2的比可求出實際電流[Iin]，采用電阻法測量采樣電壓原理圖如圖2，根據(jù)公式2可求出采樣電壓[Uout]，根據(jù)公式3可求出實際電壓[Uin]

[N1 N2=IoutIin] （1）

[Uout=I2×RL] （2）

[UinUout=N1N2] （3）

1.2 CC2530器件模塊

CC2530主要在二點四吉赫波段，滿足標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4，可以非常有效地應(yīng)用到真正的片上成為系統(tǒng)處理方法。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，搭配了增強型8051CPU，8-KB RAM，其系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。CC2530具有多種運行模式，適合本系統(tǒng)的低功耗的要求。本設(shè)計采用了CC2530F256，具有256KB的閃存。CC2530芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。其大概的特征包含以下幾點：

1） 主要可以進(jìn)行硬件調(diào)試，其芯片空間內(nèi)部能復(fù)合擴(kuò)大增強類別的8051內(nèi)核處理器，包含八K以及二百五十六K的數(shù)據(jù)和程序存儲器；

2） 芯片能夠產(chǎn)生的供電范圍是二伏特到三點六伏特之間，其中包含如下三種模式，分別為式喚醒模式0.2uA，失眠模式1uA，中斷模式0.4uA；

3） MAC定時器同樣集成在了芯片內(nèi)部；具有五通道DMA以及一個十六位和兩個八位的定時器；同時還存在三十二千赫的睡眠定時器； 8通道12位AD轉(zhuǎn)換器；看門狗等設(shè)計。

1.3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計

CC2530 F256處在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件平臺設(shè)計時主要包含實現(xiàn)三種功能：采集數(shù)據(jù)必須依靠A/D口把控的開放式電流互感器模塊；傳輸和發(fā)送數(shù)據(jù)需要無線模塊的功能；主機(jī)依靠I/O口。I/O口與微處理器連接之后主要用在傳感器方面，以方便采集數(shù)據(jù)，然后憑借RS232連接頭去控制PC機(jī)和其他各線路的網(wǎng)絡(luò)點[4]。如下圖4所示就是外圍硬件裝置的電路圖。根據(jù)CC2530內(nèi)含很多特殊作用的功能模板塊，所以導(dǎo)致這個外圍硬件裝置電路圖的外圍電路表現(xiàn)地比較清晰明了。無巴倫阻抗搭配電路被很好地應(yīng)用到了此無線模塊外圍電路的設(shè)計制作之中，其中該設(shè)備的天線就是利用了天線，這種天線的特征是五十歐鞭狀的負(fù)極性的，主時鐘晶振采用32MHz無源晶振以及32.768MHz時鐘晶振。同時，在原理圖中可以看出硬件設(shè)計圖中裝上了2個狀態(tài)指示燈，該燈的電阻為二百二十歐姆，該燈裝在微處理器芯片內(nèi)部，主要設(shè)置在P10和P11口，裝該燈的目的是便于根據(jù)指示燈觀察設(shè)備入網(wǎng)和退網(wǎng)狀態(tài)的狀態(tài)變化。

2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計方面，本設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化，協(xié)調(diào)器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，終端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)初始化

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)用初始化流程如圖5所示，應(yīng)用程序底層運行的是MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧[5]。在系統(tǒng)初始化階段，第一點就是初始化應(yīng)用程序，包含其硬件和協(xié)議棧方面的初始化。初始化過程中主要涉及硬件、IO口和指示燈的初始化；其中協(xié)議棧的初始化內(nèi)容是包含其中的每個層結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)進(jìn)行重新設(shè)立。同時在系統(tǒng)初始化階段需要對中斷設(shè)置初始化程序，要求在全局就進(jìn)行中斷處理。然后進(jìn)行端點注冊，這個目的為的是方便通知PC端應(yīng)用程序重新設(shè)置內(nèi)部節(jié)點定義，初始化端點信息[6]。PC捆綁的形態(tài)在初始化后變?yōu)榭罩眯螒B(tài)，也就是對串口狀態(tài)監(jiān)測和串口命令進(jìn)行充分詮釋和分解[7-8]。然后把程序形態(tài)初始化變換為入網(wǎng)形態(tài)。全部初始化處理完后，這個系統(tǒng)意味著變成了一個無限循環(huán)的應(yīng)用程序在不斷進(jìn)行。endprint

2.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器在經(jīng)過初始化之后，就開始去掃描信道以及創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收各節(jié)點的信息的時候，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送的信息時。節(jié)點首先是存儲信息，主要是將網(wǎng)絡(luò)地址粗存在地址表格中；在設(shè)備收到控制端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求的時候，設(shè)備就會把事先儲備好的網(wǎng)絡(luò)表格內(nèi)容信息輸送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各端。協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

在用戶應(yīng)用程序中，協(xié)調(diào)器節(jié)點地址始終為0，所有RFD節(jié)點均周期性地向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包[9]。集群中的樹網(wǎng)絡(luò)，因為RFD節(jié)點及其秩序的短地址分配和各自的路徑深度有關(guān)，所以RFD節(jié)點之間不能進(jìn)行進(jìn)行傳輸，故而需要利用非直接方式傳輸信號的模式。在利用此模式時，網(wǎng)絡(luò)中的RFD節(jié)點之間無需了解間接消息去往的地址，只負(fù)責(zé)給協(xié)調(diào)器就行，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點在進(jìn)行工作，將利用查詢捆綁表把收到的消息轉(zhuǎn)送到最終目標(biāo)地址[10]。

需要注意的是，因為缺少RFD節(jié)點的父節(jié)點電源供電，也或者是父節(jié)點直接關(guān)聯(lián)沒有產(chǎn)生的原因，RFD節(jié)點與其父節(jié)點之間的鏈路可能會發(fā)生中斷[11]。此情況下RFD節(jié)點估計可以發(fā)現(xiàn)到離線的情況并將其上線，這個時候就必須依靠應(yīng)用程序，利用 ping父節(jié)點去發(fā)現(xiàn)中斷情況，通然后將重新連接網(wǎng)絡(luò)來恢復(fù)通信鏈路 [12]。

2.3 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點軟件流程圖如圖7所示，軟件設(shè)備進(jìn)行了接電之后，開始運行掃描信道，再選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行介入操作，此裝備就能夠把信息傳輸給協(xié)調(diào)器，主要是把本地的網(wǎng)絡(luò)短地址、長地址和設(shè)備類型、狀態(tài)等信息打包輸送出去。傳輸過程中經(jīng)過各個節(jié)點，然后各節(jié)點把信息傳遞到終端，如此周而復(fù)始，終端設(shè)備同時也各節(jié)點請求數(shù)據(jù)傳輸，以便查詢數(shù)據(jù)接受是否到位。

3 系統(tǒng)測試

在實際測量中，讓硬件平臺連續(xù)工作1小時，其間進(jìn)行無線通信，硬件平臺的功能符合要求。通過逐漸加大兩個硬件平臺的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測量得系統(tǒng)的有效傳輸距離為125米，在有效距離內(nèi)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。此系統(tǒng)功耗表現(xiàn)為不同，主要因模式而不同，接受、發(fā)送、低功耗三種模式下的功耗分別為23毫安、28毫安以及0.4微安。

4 結(jié)束語

本文介紹了開口式電流互感器，CC2530模塊以及Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計，給出了具體的硬件與軟件設(shè)計方案，采用開口式電流互感器可以更為方便的測量電流電壓數(shù)據(jù)，Zigbee組網(wǎng)方案具有較大的靈活性。從測試結(jié)果可以看出該系統(tǒng)具有低功耗以及較遠(yuǎn)的通信距離，可使用與對小區(qū)用戶端電壓電流數(shù)據(jù)的測量。

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