基于ZigBee技术的电源网络监控系统设计

王庆福

（辽宁行政学院，辽宁沈阳，110161）

基于ZigBee技术的电源网络监控系统设计

王庆福

（辽宁行政学院，辽宁沈阳，110161）

随着日常生活和生产中设备对用电的要求，电源的管理越来越重要，电源的稳定性不仅影响设备的正常工作，还会带来相应的安全隐患。在系统设计中对电源要进行必要的监测和控制，电源监控系统中终端设备单独对电源模块进行监控，对电源的控制采用快速响应继电器来减少延迟，从而保证系统安全。本文提出了基于ZigBee无线传感网的电源监控系统软件设计和硬件设计方案。系统中的ZigBee无线模块节点采用CC2430 芯片为核心，优点是成本低、协议简单和组网容易等。

ZigBee；无线传感网；电源监控系统

1 ZigBee关键技术分析

ZigBee技术是基于IEEE的802.15.4无线标准的，ZigBee技术是无线网络组网、安全和应用的技术标准。IEEE负责MAC层协议，ZigBee技术对网络层协议和应用层协议进行标准化，ZigBee技术中的协调器可以连接254个节点，几个协调器可以组成一个网络，对网络层和应用层进行扩展，并且开发了相应的安全协议，避免了ZigBee无线传感网的敏感信息通过安全漏洞进行泄漏的问题。ZigBee技术的特点低成本、低功耗、近距离、短时延和高容量等。ZigBee无线传感节点包括传感器模块、无线通信模块、供电设备和数据处理四个部分，无线传感器节点的ZigBee技术中ZigBee节点采用了标准化制定，这样更适合数据的可靠传输，操作的距离更短，功耗和成本更低等一系列优点。ZigBee传感器节点通过区分不同的功耗实现最大程度的降低设计成本，并且对节点功率资源进行合理的利用。ZigBee技术的无线传感网有15个信道，若干个ZigBee无线传感网分布在每个信道中，一个Sink节点和多个普通节点组成每个ZigBee无线传感网。

2 电源监控系统设计

2.1 系统结构设计

系统电源设计分析，电源供电一旦出现短路、线路电流过大引起的设备发热等电源工作异常问题，会影响整个系统的正常运行，所以我们要对电源进行监控，当出现异常情况时，采取必要的措施来保护线路，并查出问题原因。系统设计的设计要求要对电源电压进行采样，电源出现异常时要及时处理， 对采集数据进行处理和保存，系统结构设计要简单。监控系统的功能设计要保证测量的精度，具有报警功能，无线通信功能，数据保存功能，组建的网络要便于管理。根据电源监控系统的设计要求，制定合理的设计方案，监控系统组成分为上位机、协调器和终端设备三个部分。终端设备负责采集电源参数数值和控制电源开关，终端设备与协调器的通信是通过ZigBee无线传感网实现的。协调器作为中间的传输媒介，协调器主要是把终端设备数据传给上位机，在把上位机的控制命令传输给终端设备，协调器与上位机的通信是通过串口进行的。

终端节点通过采集/保护模块对电源设备的电压数据进行采集，采集的电压数据主要是0-30V的数值，这些电压数据的值通过路由器节点发送给协调器的节点，路由器节点还可以接收协调器发来的控制指令，并根据控制指令做出相应的处理。路由器节点可以增加ZigBee无线传感网的整个的网络覆盖的范围，保证整个电源监控系统的数据中转正常运作，负责系统中协调器节点和终端节点之间的数据交换正确。协调器节点通过串口把终端节点采集到的电源电压的数据发送给上位机，并且可以接收到上位机发来的命令，然后把命令信息发给与之相对应的终端节点上。上位机主要负责对监控设备数据信息的管理，包括数据信息的查询、数据信息的处理、终端和路由节点的控制以及电源监控系统的配置等。ZigBee协议栈结构分四层，分别是应用层、网络层、物理层和MAC层。按照ZigBee协议标准把ZigBee的网络节点分为三种类型，分别是Coordinator、Route和End Device 。

ZigBee的网络拓扑结构有星型结构、树形结构和网状结构，本文在基于ZigBee无线传感网的电源监控系统设计的结构中选择的系统拓扑结构是网状拓扑结构。无论在哪一种ZigBee网络拓扑结构中，数据传输通道会按照ZigBee的协议算法来选择最适合的路由路径，这样提高了整个无线网络的通信速率。

2.2 系统运行测试

ZigBee监控系统的组成主要有终端节点和路由器节点两部分。终端节点模块由采集模块和控制模块组成。在终端节点模块中电源的选择主要采用 DH1718G-4 型直流稳压电源，保护模块包括分压电路，继电器电路和蜂鸣器电路，继电器的功能是过压保护，继电器作用主要是用来切断电源与负载设备的连接，也可以恢复电源与负载设备的连接。蜂鸣器功能是报警，在电源过压时候发出响声并报警。终端节点的硬件结构中，把二极管加入到继电器驱动电路里，这样在继电器断电的瞬间，可以释放掉继电器线圈产生的反向电动势，从根本上保护了三极管。对zigBee无线传感网的电源监控系统，查看测试效果。把系统中的各个功能模块按设计要求分别间隔10米放置并进行连接，启动电源设备，系统中的终端节点对电源电压数据进行采集，并将采集到的电源电压数据每隔1秒通过zigbee无线传感网络发送给上位机软件，测试的监测数据实时的存放到后台数据库中。

3 总结

传统有线网络中存在的综合布线和网络扩展等问题，可以通过ZigBee无线传感网得到很好的解决。有线连接方式是传统电源监控系统常用的连接方式，所以在传统电源监控系统中，如果出现监控节点比较多的时候，会出现布线施工困难、安装工作繁琐和系统维护的不方便等诸多问题。采用ZigBee无线传感网技术来组建电源监控系统，可以解决传统电源监控系统中出现的问题。ZigBee技术是新兴的无线网络传输技术，可以实现在传感器之间协调无线通信。

[1]宓霖.基于ZigBee技术的无线数据收发器MAC层协议研究与硬件设计[D].东南大学.2015.

[2]史宁.基于ZigBee技术的无线传感器网络平台的研究与实现[D].吉林大学.2016.

[3]孙皓月,吕国,张梁,等.基于物联网的智能建筑电源监控系统的研究[J].电源技术，2014,38(1):113-115.

[4] 钱建波,于正永,何晓凤.基于嵌入式远程电源监控系统的设计及应用[J].福建电脑，2010,26(3):128-129.

Design of power network monitoring system based on ZigBee wireless sensor network

Wang Qingfu
(Liaoning Academy of Governance, Shenyang Liaoning，110161)

With the daily life and production equipment for electricity demand, power management is more and more important, the power supply stability not only affect the normal work of the equipment, but also bring about the corresponding security risks Monitoring and control of power supply to be necessary in the design of the system, the monitoring system of power supply terminal equipment to separate power supply module for monitoring and control of the power supply by the rapid response of the relay to reduce the delay, so as to ensure the safety of the system This paper presents the software design and hardware design of power monitoring system based on ZigBee wireless sensor network In the system, the ZigBee wireless module node adopts CC2430 chip as the core, and it has the advantages of low cost, simple protocol and easy networking

ZigBee; wireless sensor network; power monitoring system