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摘要：ZigBee技术具有功耗低、成本低、时延短、容量大、可靠性高等突出优点，所以在无线传感网领域获得广泛应用，为解决电网企业现场作业管理效率低、难度大的问题，本文研究了基于ZigBee的数据采集与无线通信系统设计。
关键词：ZigBee；数据采集；无线通信
信息化建设是衡量电网企业发展水平的重要标志。以往电网企业对现场作业的管理方式准确度差、效率低、难度大，特别是现场作业的随意性和盲目性成为影响工作质量和效率的瓶颈，通过构建简单、实用的现场作业管理系统可以提高现场作业的规范性、质量以及工作效率和专业管理水平[1，2]。物联网作为信息化建设的重要组成部分能推动信息技术与电网企业生产、经营、管理的深度融合，为实现运维一体化管理发挥关键的作用[3]。因此，本文对基于ZigBee技术构建的物联网数据采集与无线通信系统设计进行研究。
1 基于ZigBee的数据采集与无线通信设计思路
1.1现场作业信息管理需求分析
在电力现场施工生产管理过程中，尽管相关规章制度已较为完善，而且对施工、生产各环节也都制定了严格细致的要求，但因为电网建设点多、面广、分散，加上交叉作业环节多，受现场管理人员数量局限而难以覆盖所有节点、细节，特别是有些施工人员安全意识不强，以致施工现场安全隐患难以彻底消除，严重威胁人员、设备安全，如果仅靠人工传递信息，存在信息不准确、传递滞后的不足，信息化的目标是通过施工现场信息的全方位获取，形成施工现场的闭环管理，其中很重要的一点是获得作业人员及施工设备的实时轨迹，实现远程无死角的全覆盖[4]，这就涉及无线定位技术。
1.2无线定位技术选择
现有物联网无线定位技术如表1所示。根据电力工程生产管理特点，并结合各种无线定位技术的成本、功耗、覆盖范围、适用场景等因素，决定选用ZigBee技术。
表1 常用无线定位技术比较[5，6]
1.3 定位方式选择
无线定位系统由网关、参考节点和盲节点三部分组成，其中参考节点为位置确定的静态节点，也称为固定节点；盲节点需通过参考节点的位置数据测算其相对位置，又称为动态节点。确定盲节点位置是无线定位的核心工作，根据定位原理分为基于距离和无需测距两类方法。基于距离定位包括基于RSSI的定位、基于AOA的定位、基于TOA的定位、基于TDOA的定位等方法，无需测距的定位包括质心算法、APIT算法、DV-HOP算法、Amorphous算法等方法[7]。由于无需测距定位方法需部属较多的参考节点，开销较大；同时因为不需测出盲节点与参考节点之间的距离，定位精度较低，所以本研究选用基于距离的定位方法。而在基于距离定位的各种方法中，基于AOA、TOA和TDOA的方法需通过超声波、无线电波完成定位，对硬件和使用环境要求较高，存在成本、可调性等方面的问题，而基于RSSI（信号强度）的方法无需增加额外硬件，满足本研究低成本、低功耗、易实现的要求，所以选择基于RSSI的定位方法。但RSSI法定位精度不高，为了提高定位精度需改进算法，例如引入高斯滤波模型和改进三边测量法。
1.4 组网方法选择
ZigBee拓扑结构分为星形网、树形网和网状网。由于树形网动态适应性较差，稳定性低，功耗较高；而网状网结构复杂，并在无线收发时需不断开启，功耗也较高。结合本研究特点决定采用最简单的星形网结构。这种结构中，中心为协调器，终端节点与路由器围绕协调器设置并与之相连。网络有唯一的PAN标识符，利用16位短地址码可激活网络设备之间的通信。系统总体框图如图1所示。图中定位管理计算机（上位机）是定位监控中心，通过定位监控软件对ZigBee网络进行配置、查看和管理，协调器（网关）是无线定位主要部分，所有参考节点和盲节点的数据经由协调器传送到定位管理计算机。当参考节点将自身位置数据和RSSI数据包发送给盲节点，通过定位引擎计算就得到盲节点位置，再传递到定位管理计算机中，由曲线绘制模块以图形形式发送给管理人员。
图1 ZigBee定位管理系统结构图
2 基于ZigBee的数据采集与无线通信系统硬件设计
2.1 芯片选型
目前，ZigBee芯片方案主要有RF芯片+指定MCU组合方案、RF芯片+通用MCU组合方案、SoC芯片三种。前两种至少2种芯片组合，这增加了PCB板设计的复杂性，进而降低了抗干扰性和可靠性，第三种方案只需一块芯片，硬件设计复杂性减小，相应地开发成本和系统功耗也低[8]，所以本研究选用SoC芯片。目前，SoC芯片有CC2430和CC2530，比较起来CC2530属新一代，功能更强，当然价钱也更高，基于本研究特点采用CC2430足够了。CC2430系列有CC2430和CC2431两种芯片，两者差别在于后者有跟踪定位引擎，而前者没有，所以盲节点一定要选CC2431，参考节点和协调器选哪种都可以。
节点硬件设计
图2 节点硬件框图
数据采集与无线通信系统硬件由无线模块和辅助功能模块两部分组成，两部分模块之间采用插针连接，以方便维护，如图2所示。无线模块由CC2430/CC2431芯片、匹配电路和天线等组成。由于芯片内部RC振荡器稳定性不理想，在匹配电路中使用了两个外接晶振以及为其提供偏置电流的偏置电阻。天线可以选择PCB天线或外接杆状天线，虽然PCB天线体积小、成本低，但发射功率较小，故本研究采用外接杆状天线。辅助功能模块中串口转换电路用于协调器与定位管理计算机之间通信，由于CC2430/CC2431芯片TTL电平与串口EIA电平不同，所以采用MAX3232芯片进行转换。CC2430/CC2431芯片工作电压为2.0～3.6V，所以节点采用2节干电池供电，但因为协调器串口电平转换芯片电压为3.0～5.0V，必须采用5V直流供电，需要通过电压转换芯片切换，所以设置电压回路。调试下载回路设置若干专门接口配合Packet Sniffer软件调试。LCD显示回路方便现场定位试验观察，采用160×100（像素）、显示尺寸40×29（mm）的LCD屏。节点复位及LED指示回路采用手动复位，LED用于显示节点通信是否正常。
3 基于ZigBee的数据采集与无线通信系统软件设计
3.1 软件开发环境
基于ZigBee的数据采集与无线通信系统软件设计分为上位机和下位机两部分。上位机也就是定位管理计算机，操作系统采用32位Windows 7旗舰版，管理软件为具图形监控功能的软件Z-Location Engine，专用于监测ZigBee网络的拓扑结构和节点位置，可以对各个节点的参数进行修改和配置。下位机中包含各个节点的软件，开发工具为IAR Embedded Workbench For 8051 v8.30，用于编译和调试C/C++语言编写的嵌入式应用程序。Z-Stack协议栈是开发软件的关键部分，本研究采用ZStack- CC2430-1.4.3-1.2.1版本。利用Z-Stack丰富的API函数开发硬件驱动和编写应用层任务处理函数。例如建立无线监控网络调用NLME_NetworkFormationRequest（）函数，并在nwk_globals.h中修改STACK_PROFILE_ID值为#define STACK_PROFLE_ID= = GENERIC_STAR（星形网）。
3.2 协调器节点设计
在ZigBee网络中的协调器（网关）节点负责组网和维护，并通过串口RS232与上位机通信，其工作流程如图3所示。可见，协调器节点收到数据后先要判断数据来自上位机还是网络节点（参考节点或盲节点）。如果数据来自上位机，那么数据中包含节点位置数据，将其发送给相应节点；如果数据来自网络节点，那么数据打包后发给上位机处理。
图3 协调器节点工作流程图 图4 参考节点工作流程图
3.3 参考节点设计
参考节点位置坐标已知，并且也是静态节点，其工作流程如图4所示。上电后先要加入无线监控网络。确认已成功加入网络后就要接收数据并进行解析。如果数据来自协调器节点，则更新配置信息并写入Flash；如果数据来自参考节点，则收集配置信息并发给协调器节点；如果数据来自目标节点，则各个参考节点将自身位置信息及得到的定位信息发送给目标节点。
3.4 盲节点设计
盲节点是无线定位的目标，它可以在指定范围内随意移动，其工作流程如图5所示。初始化后请求联网，如果联网成功则向上位机节点配置信息并写入Flash。以后盲节点相隔一定时间发送定位（XY-RSSI）请求，接到应答消息后收集参考节点信息和RSSI信号，如果收到至少4个参考节点定位信息，就将配置信息发给协调器，否则数据无效。
图5 盲节点工作流程图 图6 上位机监控软件工作流程图
3.5 上位机软件设计
上位机监控软件采用C++来开发，可实现无线定位网络节点的参数配置、定位计算和存储数据到数据库，并由串口通信模块、节点配置模块和节点定位模块所组成。串口通信模块负责上位机与无线定位网络之间的数据通信，其操作包括串口打开、串口配置、串口读写和串口关闭4个步骤。为了保证串口正常工作，设置了I/O缓冲区。节点配置模块用于配置无线定位网络中各节点的参数，以方便系统扩展。节点定位模块负责盲节点位置解算，计算结果则存储于Access数据库中。定位算法采用基于测距的RSSI改进算法，位置精度可以满足电力现场施工生产管理要求。上位机监控软件工作流程如图6所示。
4 结语
目前，电网企业现场作业管理信息化程度不高，虽然已出现了一些信息化管理系统，但存在系统复杂、硬件要求高等不足，以致影响到大面积推广，基于Zigbee的数据采集与无线通信系统研制，为解决这个问题提供了一条新的思路，通过生产实践的检验有望得到推广应用。
参考文献：
[1] 沙伟燕.宁夏电网生产管理系统移动作业管理平台开发[J].宁夏电力，2014（2）：16-19.
[2] 刘欣欣，梁旭常，刘攸坚，等.电能计量运维现场作业信息系统的研制[J].电测与仪表，2014，51（22）：12-16.
[3] 马睿.深化电力信息通信系统一体化管理模式[J].中国电力企业管理，2015（7）：72-73.
[4] 高峰.基于混合网络的电力工程现场施工信息传输方法研究[D].北京：华北电力大学，2016.
[5] 翟鸿雁.物联网几种定位技术的分析比较[J].软件工程师，2014，17（10）：32-34.
[6] 李雪梅.物联网中几种定位技术应用的分析比较[J].科技创新与生产力，2011（9）：88-90.
[7] 李冉.基于Zigbee无线传感器网络定位的研究[D].广州：广东工业大学，2016.
[8] 周桂春.基于ZigBee的三维目标定位技术研究[D].南京：南京理工大学，2015.
论文作者:康健,陈进军,陶正晖,索晓娣,曹凯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/6
标签：节点论文; 上位论文; 作业论文; 芯片论文; 串口论文; 数据论文; 现场论文; 《电力设备》2018年第21期论文;