基于Zigbee的船用分布式电气设备运行监测系统设计

2017-12-14刘亚丽张红涛

船电技术 2017年11期

刘亚丽，张红涛

刘亚丽，张红涛

（海军士官学校，安徽蚌埠233012）

船用电气设备类型数量多，安装部位分散，相应的运行监测装置往往受布线和电源限制，布设难度大，维护繁琐，难以大量使用。针对该问题，设计了一种基于Zigbee的船用分布式电气设备运行监测系统。给出了相应的采集电路，基于Zigbee芯片C2530-F256的模块接口电路和电源电路设计。根据船舶环境特点，分析选择了Zigbee网络拓扑形式，设计了应用层数据帧的结构，最后给出了相应的软件工作流程。该系统布设灵活，使用方便，可有效提升船舶电气设备的整体管理水平。

Zigbee 电气设备运行状态监测

0 引言

船舶上各类电气设备大多工作在高温，震动，高压，大电流等恶劣环境，动作频繁，很容易发生各类故障。一方面，目前针对船舶电气设备的故障诊断大多仅停留在基于单个设备故障现象的研究和分析，往往缺少设备或关联设备的运行过程数据支持，而随着故障诊断方法的不断智能化，必然需要大量的设备运行状态信息作为诊断依据[1]；另一方面，船舶上各个电气设备分舱室布置，安装部位分散，采用有线方式传输监测信息将在实际线路布设中遇到困难。近几年来，随着无线传感器网络技术的不断发展，监测控制系统也逐渐发展为采用基于无线网络的方式。其中Zigbee就是一种典型的短距离无线通信技术，与蓝牙（Blue Tooth）、无线局域网（WiFi）等相比具有组网灵活，数据传输可靠，网络节点容量大的特点，但考虑到数据传输速率低，目前仅大多应用于温湿度监测[2, 3]，使用效益较低，但实际上Zigbee理论传输速率为250 kbps，即使在干扰状态下实测传输速率仍可达300 bps以上[4, 5]，通过合理安排数据帧和传输协议等方法，可以有效扩展监测的物理量类型。

据此，本文设计了一种基于Zigbee的分布式电气设备运行监测系统，利用无线传感器网络，对船舶各类电气设备实时进行灵活的数据采集、监测、记录和存储，从而为设备运行状态评估和故障诊断提供有效地数据支持。

1 系统设计与分析

船舶上的电气设备需要采集的数据主要包括继电器、熔断器和接触器等开关量状态、动作时间，三相交流负载电压和电流、关键元件的线圈温度，控制箱内湿度等数据。系统主要由PC端状态监控台、Zigbee网络协调器、带路由功能的采集终端和采集终端组成。Zigbee网络协调器和带路由器采集终端都包括Zigbee全功能设备FFD（Full Function Device）[5]，用于构成Zigbee网络。网络协调器负责Zigbee网络启动和配置，并可通过RS422或CAN网络传输至PC端状态监控台。带路由器采集终端一方面可用于扩展Zigbee网络，另一方面可进行设备状态的数据采集，而采集终端则进行数据采集并只向路由器传输数据。整个系统的结构原理图如图1所示。

2 硬件设计

带路由器采集终端硬件部分主要包括微处理器，采集电路、外围电路及Zigbee网络全功能设备。采集电路主要有交流电压采集模块，交流电流采集模块，开关量和温湿度采集模块，外围电路主要有晶振电路，时间基准电路和SD卡存储电路等。而采集终端与带路由器采集终端基本相同，由于无需进行路由扩展网络，仅与带路由器采集终端进行数据交互，故此处可将Zigbee网络全功能模块精简为简化功能设备RFD（Reduced Function Device）[5]。

构建Zigbee网络的模块采用TI公司的CC2530芯片，为配合CC2530扩展网络，采用CC2591功放芯片构建工作频率为2.4GHz的射频前端，通过CC2591功放芯片，发射的输出功率可提高+22dBm，接收灵敏度可提高+6dBm[5]，可有效扩大Zigbee网络的工作范围。MCU则采用内部集成A/D转换器的PIC16F877A微处理器，完成时标数据读取，数据采集和处理，并将结果经URAT接口与CC2530芯片进行数据交互。整个终端为保证可靠记录，可不依赖交流电源，采用内置电池电源设计，利用取能电路进行AC/DC转换和电池充放电管理。带路由采集终端的整体硬件组成框图如图2所示。

2.1 采集模块设计

交流电压采集模块采用WB3U412U01型交流电压传感器构建，将其变换为标准的直流电压输出，输出的直流电压为0～5 V，可直接送入MCU进行A/D转换采集。

当输入电压为380 V时，其输入阻抗可达300 k以上，对被测电路影响可基本忽略，模块的输入与输出之间隔离电压大于2.5 kV，可避免交流电网对后端采集电路的影响[6]。交流电流的采集采用WB3I414U31型电流传感器，输入端为穿心感应方式，与被测电路无直接接触，布设方便。

电流传感器模块将其变换为标准的直流电流输出，为提高电流传感器输出阻抗，电流传感器输出端由标准负载电阻转换为电压信号后，先经过由运放构成的射极跟随器，再接入到MCU的数据采集口进行采样。

采集的开关量为交流电流的通断状态信号，采用穿孔式的交流电流越限隔离变送传感器CE-IJ03，将交流电流的通断状态迅速转换为开关量。模块的输入和输出的隔离耐压值大于2.5 kV，动作响应时间小于200 ms，能够迅速反应开关动作，也避免了采集电路对被测电路的影响。电路中设计了四路通道的开关量状态采集，同时也可根据需要，进一步扩展相应的采集通道。

设计中采用经典的AM2301湿敏电容模块采集温湿度，模块包括已校准的数字式温湿度复合传感器，与MCU连接采用单总线(one-wire)接口，硬件开销需求少，响应快，性价比高。采集模块的硬件连接如图3所示。

2.2 Zigbee模块接口设计

本设计中Zigbee采用TI公司的CC2530-F256芯片构建无线网络，CC2530-F256的供电电压为2 V到3.6 V，功耗极低，支持IEEE802.15.4的2.4 GHz RF收发器，仅需很少的外接元件就可以建立起极高接收灵敏度和具有抗干扰能力的网络节点[7]。

Zigbee模块CC2530-F256与MCU即PIC16F877A通过串口进行数据交互。由于CC2530-F256采用低功耗设计，工作电压在3.3 V，而MCU工作电压是5 V，两者工作电压不匹配，不能直接连接，为保证Zigbee模块与MCU通过串口能进行可靠的数据交互，利用三极管对通讯接口电压进行匹配，保证两者都能工作在正常范围之内。相应的接口电路设计如图4所示。

2.3 电源设计

为便于终端节点的布设，无需另外加设供电线路，最为实用的方式就是利用电磁感应原理，从高电位的电气设备电缆中获取电能用于内置锂电池的充电[8]，从而维持监测系统各个终端工作。

图4. Zigbee模块与MCU接口电路

设计采用互感式取能线圈从交流电缆中获取电能，后端逐级由瞬态抑制二极管的冲击保护电路，整流滤波电路，电源管理电路等部分组成，其中电源管理部分包括可充锂电池的充放电控制和DC/DC直流电压转换。由于后端的Zigbee和相关控制及采集电路的工作电流均为几毫安到几十毫安，整体功耗不高，因此，取能线圈与可充锂电池的组合电源设计可以满足负载需求。电源部分的结构原理框图如图5所示。

3 分布系统的拓扑选择

Zigbee网络定义了星状、簇（树）状和网状三种拓扑结构。其中，簇状结构由若干个星状结构组成，两种结构的网络各个节点是串接的，结构相对简便但稳健性不足，网状结构与簇状结构的不同在于网状结构的任意路由之间可以直接交互数据。

对于没有金属障碍的理想空间而言，星状结构或簇状结构都可以实现数据交互，其中簇状结构还可以逐级扩展延伸。但在实际应用中，船舶的电气设备往往分布安装于各个舱室，金属舱室对无线信号具有屏蔽或衰减作用，容易导致通讯障碍。因此，考虑到船舶舱室内部布设Zigbee网络的结构冗余性，信息交互的灵活性和通讯的可靠性，采用网状的拓扑结构设计更为合适。特别是在舱室与舱室间的信号重叠区域，合理的增加布设带路由器采集终端，即使一个节点因为信号屏蔽或衰减而无法进行数据交互，Zigbee网络也可以重新选择新路径，在各个带路由器采集终端间进行数据转发，绕开问题区域，从而提高了整个系统的可靠性和可用性。

4 数据帧的结构设计

帧结构的设计遵循最低复杂度的原则，但同时需要在信道的传输中保证足够的健壮性，因此，在物理层、介质范围控制层和网络层中，用于网络建立，信标发送，状态确认和命令传递等功能帧可直接沿用Zigbee规范。

本设计中，虽然在应用层发起信息交互的数据帧有效负载是可变的，但是受物理层实际有效载荷限制，同时避免或减少分帧传输，加快数据传递速率，应尽量简化数据帧负载数据量。其中，物理层除去自行添加的同步头和物理层报头外，最大有效负载为127字节，介质范围控制层开销为9～25字节，网络层开销为8～25字节，应用层自身开销为10字节，此时，按照各层最大开销计算，应用层数据帧的有效负载不超过67字节。根据系统数据采集类型和数量的需求，设计的应用层数据帧结构如图8所示，前10个字节为应用支持子层的帧头，包括寻址字段和计数器；数据负载为24字节，其中传输的时标信息和采集数据为21字节，并预留3字节扩展使用。

5 系统软件设计

Zigbee网络中的协调器主要负责启动和组建网络并向监控PC端上传数据，首先进行串口初始化和Zigbee网络初始化，启动网络后，前端节点申请加入该网络时，协调器需分配相应的网络地址，获取相应终端节点数据后，提交至PC端监控软件处理。本系统Zigbee网络协调器的软件流程如图9所示。

对于带路由器采集终端而言，首先需要对单片机、Zigbee模块及各个功能模块电路进行初始化设置，读取时钟芯片中时标信息，配置SPI端口，组成传感器网络等。初始化完成后，建立和打开相应记录文件，查找并与Zigbee网络建立连接，定时采集相关设备状态数据，然后不断将检测采集的各类数据写入文件并打上时标，并经Zigbee网络发送给协调器。采集终端只需与带路由器采集终端通讯，其软件工作流程可相应简化。带路由器采集终端的软件流程如图10所示。

6 结束语

本文设计研发的基于Zigbee的船用分布式电气设备运行监测系统，针对船舶电气设备分布式监测需求特点，充分利用了Zigbee网络功耗低、容量大、自组网的技术优势，以Zigbee无线传感器网状拓扑结构为基础，可实时采集各类船舶电气设备运行过程中电流、电压、接触器或继电器的开关量，工作环境参量等状态信息，以时间标记各类过程数据，存储在大容量SD卡中，并通过网络实时发送至PC端进行分析处理，便于设备工作状态的监测和回溯查询。该系统的应用无需另外连接通讯电缆，网状拓扑结构自适应性好，终端布设灵活，使用不影响原电气设备正常工作，实现了监测系统的无线自动化，可有效提升船舶电气设备的整体管理水平，具有较高的应用价值和推广前景。在后续工作中，还需要进一步开展由于设备舱室分割，无线通信链路非对称性等不利因素对Zigbee网络通讯稳定性影响的研究。

[1] 孔庆宇，霍景河，王渊. 基于知识的主流故障诊断技术研究[J]. 四川兵工学报, 2015, 36(9): 60-64.

[2] 洪茜. 基于ZigBee电力推进船舶电气设备温度监测系统[J]. 船电技术, 2013, 33(3).

[3] 薛佳. 基于ZigBee的船舶电气设备监测系统的设计[J]. 现代制造技术与装备, 2011,(1).

[4] 滕志军，李国强，何鑫，等. 基于ZigBee的高压电气设备温度在线监测系统[J]. 电测与仪表, 2014, 51(1).

[5] 杜军朝，刘惠，刘传益，等. ZigBee技术原理与实战[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015.

[6] 张金勋，王晓初，李克天，等. 基于隔离技术的交流电压变送器设计[J]. 电测与仪表, 2010, 47(5).

[7] 刘家军，熊磊，林丽妲，等. 基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置的研究[J]. 电网与清洁能源, 2016, 32(2).

[8] 张颖超，吴嘉伦，李俊. 基于Zigbee电力电缆接头远程温度监测系统研究[J]. 电测与仪表, 2014, 51(16).

Design of Monitoring System for Marine Distributed Electrical Equipment Running Status Based on Zigbee Technology

Liu Yali, Zhang Hongtao

（Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China）

U666.1