基于ZigBee 自组网的智能感知生产控制系统设计

姚 冬，符传福，陈钦柱，胡 微

（1.海南电网有限责任公司电力科学研究院，海南海口 570311；2.海南鼎立信科技有限责任公司，海南海口 570311）

物联网技术通过先进的传感技术、通信技术，实现万物互联、智能感知[1-3]。ZigBee 技术是一种典型的无线通信技术，具有低速率、低功耗、低成本、短距离以及能够自组网的特点[4-7]，在智能家居、工业生产控制中广泛应用[8-10]。

充电基础设施的建设是保障电动汽车迅速发展与推广应用的基础。2020 年3 月，国家更是将充电设施建设作为七大“新基建”之一，积极推荐充电基础设施建设。充电站结合本地光能资源以及储能技术，构建光储充一体化充电站是实现清洁能源消纳、环境保护的新思路之一[11-12]。而光储充电站的智能控制与安全监测依赖于稳定的通信系统，因此，文中将ZigBee 技术应用于光储充电站，实现光储充电站的智能感知与协同控制[13-16]。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee协议栈的架构

ZigBee 协议栈的结构如图1 所示。其包括物理层、介质访问层、网络层与应用层。

图1 ZigBee协议栈的结构

物理层处于ZigBee 协议栈的最底层，是整个ZigBee 无线网络的核心基础，实现了无线网络信号的接收与发送，具备信道能量测量、网络服务质量检测、无线信道接入方式选择等功能。

介质访问层实现无线信道的接入控制，能够控制设备之间的通信状态。既能为设备之间建立可靠的通信链路，又能断开设备之间冗余或不稳定的通信链路。

网络层的主要作用是管理通信网络，具备发起构建通信网络、路由寻址及数据加密等功能[17]。

应用层的主要作用是在ZigBee 网络上实现各种工程应用，其由应用支撑子层、应用对象与ZigBee 设备对象共三部分构成。应用支持子层实现绑定设备列表的维护，匹配具有不同服务需求的两个设备；应用对象主要用于实现使用者需求的不同业务功能；ZigBee 设备对象主要是实现不同设备节点的网络角色管理，建立不同节点之间的通信网络并通过安全机制保障应用数据的安全传输。

1.2 ZigBee拓扑结构

ZigBee 网络中的节点包括终端节点、路由节点与协调器3 种类型，终端节点实现数据的采集上传以及接收来自上级的信息；路由器实现最优网络路径的选择与路由寻址；协调器是整个网络的核心，实现无线网络的组建、初始化与协调控制。

如图2 所示，根据组网形式，ZigBee 网络拓扑结构可以分为星型、树型与网状3 种。

图2 ZigBee网络拓扑结构

星型拓扑具有结构简单、建设成本低的优点，但整个无线网络的信息传输依赖于协调器的性能。协调器的故障将导致整个无线网络的瘫痪，因此星型拓扑结构适用于信息规模较小的场景。

树型结构下协调器连接多个路由节点或终端节点，同时路由器也可连接多个路由节点或终端节点。树型网络中，信息由源节点传输至目标节点的路径是唯一的。当传输路径较长时，网络开销成本也较大，因此树型网络适用于网络容量需求较小但覆盖面积需求广的场景[18]。

网状结构由协调器、多个路由节点与终端及终端节点构成，其中协调器与终端节点构成网状结构。网状网络组网方式灵活，信息传输具有多条可选的路径。某个节点的故障不会影响整个网络的传输，具有可靠性高、节点消耗低的优点，因此网状结构适用于网络容量需求大、节点数目多的场景。

2 智能感知生产控制系统设计

2.1 总体结构

文中将基于ZigBee 自组网的智能感知控制技术应用于电力系统中光储充电站控制系统，实现光储充电站中充电设备有序充电与光储发电系统出力的智能感知与协同控制。

光储充电站智能感知协同控制系统总体架构，如图3 所示。光储充电站包括直流充电设备、交流充电设备、光伏设备与储能设备等电气设备，每台电气设备均具有数据信息采集功能，再嵌入ZigBee无线通信模块。终端设备采用全功能设备，具有路由功能，既作为终端节点，又可以作为路由节点。终端设备将采集的数据信息通过ZigBee 无线自组网络传输至集中控制器；集中控制器汇总所有终端设备的采集数据，通过RS485通信串口传输至光储充电站控制中心；光储充电站运行优化决策算法，得到各台终端设备的最优运行状态，并通过集中控制器将控制指令下发至每台终端设备，实现光储充一体化最优运行决策。

图3 光储充电站智能感知与协同控制系统架构

2.2 硬件模块设计

集中控制器是光储充电站智能感知与协同控制系统的核心，为实现逻辑控制计算、ZigBee 无线通信与串口通信功能，其主要包含4部分硬件模块，如图4所示。

图4 集中控制器硬件模块架构

1）核心模块设计

核心模块是集中控制器的核心，综合存储容量、处理速度、外接接口等多方面的需求。文中的控制芯片选用STM32F103xE 系列芯片，其最大频率高达72 MHz，具备512 kB 存储器、112 个I/O 接口和多种通信接口，能够满足光储充电站智能感知与协同控制算法的需求。

2）ZigBee 无线通信模块

CC2530 芯片具有传输距离远、抗干扰能力强、功耗低等诸多优点，文中选用其作为ZigBee 无线通信模块的主控芯片。同时通过CC2591 功放芯片来增加信号的传输距离，此外通信模块还包括电源、串口通信、按键等外围电路。ZigBee 无线通信模块的框架如图5 所示。

图5 ZigBee无线通信模块设计框图

3）串口通信模块

文中选择串口通信方式，为了实现集中控制器与光储充电站控制中心的通信，仍需增加USB 转串口模块，文中选取CH340 芯片实现。串口通信模块电路设计框图如图6 所示。

图6 串口通信模块设计框图

2.3 软件功能设计

光储充电站智能感知与协同控制系统的软件实现，主要功能包括光储充协同控制、状态监测与故障诊断。其软件主程序流程如图7 所示。

图7 系统软件主程序流程

3 实验测试

在上述基于ZigBee 技术的光储充电站智能感知与协同控制系统的软硬件设计基础上，搭建了实验测试平台。ZigBee 无线自组网络需保障协调器与终端的距离必须在一定范围内，以维持稳定的信号强度，保障数据传输质量。文中采用接收信号强度指标（Received Signal Strength Indicator，RSSI）衡量一定距离下，无线网络的信号强度。常规ZigBee 无线自组网络的RSSI 界限在-85～95 dBm 范围内，当RSSI低于最低限制时，信号强度将无法保证网络的正常通信。仅采用CC2530芯片与采用CC2530+CC2591功放芯片的ZigBee 无线网络信号强度对比，如表1～2所示。

表1 CC2530芯片ZigBee网络信号强度

表2 CC2530+CC2591芯片ZigBee网络信号强度

可见随着距离的增加，RSSI 逐渐减小。ZigBee无线通信模块在仅采用CC2530 芯片的方案下，当距离大于70 m 时，信号强度不能满足ZigBee 无线网络组网要求；而采用CC2530+CC2591 芯片方案，当距离为70 m 时，RSSI 为-73.8 dBm，仍满足通信要求，极限通信距离更是高达350 m。

4 结束语

文中分析了ZigBee 技术原理，并将其应用于光储充电站的生产控制系统中，提出了基于ZigBee 自组网的光储充电站智能感知与协同控制系统方案，且对关键硬件模块与软件功能进行设计。最终搭建实验平台进行测试，结果表明，文中所提设计方案采用ZigBee 无线通信芯片+功率放大芯片，相比于未采用功率放大芯片的设计方案，极限通信距离由70 m增大至350 m，能够显著提高ZigBee 网络的有效通信距离，保障ZigBee 无线网络数据传输的稳定性。