基于ZigBee的無線配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張 海

（廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510000）

基于ZigBee的無線配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張 海

（廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510000）

針對當(dāng)前配電智能化管理的需求，文章探討了一種基于ZigBee的無線配電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過基于CC2431模塊的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，搭配多類型傳感器以樹形拓?fù)涞姆绞綄V電大樓的各項動態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)匯總至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過可視化、精細(xì)化管理，保證廣電大樓用電的安全、可靠，保障電視行業(yè)的安全播出。整個系統(tǒng)具有良好的彈性與可擴(kuò)展性，是一個低功耗、低復(fù)雜度、低成本的無線監(jiān)控方案。

廣電配電；ZigBee；無線監(jiān)控；精細(xì)化管理；樹形拓?fù)?/p>

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及和嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，自動化乃至智能化已經(jīng)深入各行各業(yè)。配電系統(tǒng)作為電力發(fā)展的有力支撐更要追上時代的步伐。尤其在廣播系統(tǒng)中，供配電是安全播出的重要一環(huán)，如何結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)＋”來實(shí)現(xiàn)配電的可視化、精細(xì)化管理，以及進(jìn)一步提升值班運(yùn)維水平，乃至實(shí)現(xiàn)故障的應(yīng)急處理及快速排除是人們急需解決的問題。

鑒于機(jī)房傳統(tǒng)的監(jiān)控方案中監(jiān)測點(diǎn)的有線接入過程繁瑣、建置和維護(hù)成本較高等缺點(diǎn)，本文提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)房長期持續(xù)性的環(huán)境檢測與實(shí)時監(jiān)控一體化，并通過網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將現(xiàn)場參數(shù)及警報信息遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心的PC機(jī)或技術(shù)人員所攜帶的移動終端。技術(shù)人員可由此實(shí)時掌握各監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境狀態(tài)，以便作出最佳的決策。

ZigBee作為一種新興的低功耗、低復(fù)雜度、低成本，同時具備高可靠和自組網(wǎng)功能的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。它適用于一些短距離無線配電管理系統(tǒng)的場所，例如寫字樓、辦公樓等，并可以針對性解決早期機(jī)房中布線困難、原監(jiān)控設(shè)備擴(kuò)展性和移植性差的問題，從而有效地提升智能化配電水平。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕С?種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)對用戶端和供電端的多點(diǎn)監(jiān)控，本系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)

樹形拓?fù)浒?種邏輯設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，其主要功能是建立網(wǎng)絡(luò)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息來執(zhí)行集中式通信管理。路由器節(jié)點(diǎn)主要是發(fā)展多鏈路路由，確保協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的正確交換，而樹形結(jié)構(gòu)中的多個路由器節(jié)點(diǎn)保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。終端節(jié)點(diǎn)作為底層設(shè)備只能與對應(yīng)的路由器通信，節(jié)省了資源和存儲器空間。同時ZigBee網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性決定了終端節(jié)點(diǎn)可以自由地加入或退出整個系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)如果發(fā)生位置變動或退出，網(wǎng)絡(luò)都能夠進(jìn)行自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)了可伸縮的自組網(wǎng)功能。

整個ZigBee系統(tǒng)分成4部分：ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集終端、服務(wù)器端、監(jiān)控中心及遠(yuǎn)程瀏覽站。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并通過路由節(jié)點(diǎn)匯總至協(xié)調(diào)器，采集終端負(fù)責(zé)將監(jiān)控數(shù)據(jù)整合上報至服務(wù)器端，同時原有的智能及環(huán)境設(shè)備也可以通過RS232/RS485等有線的方式將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。服務(wù)器對數(shù)據(jù)處理后以報表和圖形的方式呈現(xiàn)給技術(shù)人員。

廣電行業(yè)的安全播出涉及方方面面，而供配電環(huán)節(jié)，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。所以整個監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計布局要結(jié)合設(shè)備所在地的外部狀況和具體的行業(yè)要求，使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上適應(yīng)所應(yīng)用的行業(yè)環(huán)境，所以應(yīng)用該系統(tǒng)應(yīng)遵循3個原則：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)從設(shè)備運(yùn)行情況到機(jī)柜微環(huán)境再到機(jī)房整體環(huán)境這樣多層次的監(jiān)控；（2）有豐富的閾值設(shè)置以便檢測出各種緊急情況的發(fā)生，并且預(yù)置豐富的預(yù)警方式和預(yù)警流程保證技術(shù)人員能夠收到提醒，以便及時處理；（3）具備網(wǎng)絡(luò)化、智能化特點(diǎn)，能夠隨時通過網(wǎng)絡(luò)查看機(jī)房內(nèi)的情況。最終根據(jù)不同的機(jī)房環(huán)境，結(jié)合實(shí)際來設(shè)置探測的終端節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee核心模塊

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，整個節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)采集單元（傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、微處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊及擴(kuò)展接口?？梢造`活地布置在需監(jiān)控的區(qū)域。每個節(jié)點(diǎn)具備傳感、運(yùn)算、存儲與通信的功能。所有的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了基礎(chǔ)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)通過對應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）經(jīng)過外部通信網(wǎng)絡(luò)（電力路由）與監(jiān)控中心相連。終端節(jié)點(diǎn)的通信架構(gòu)方式如圖1所示。

從集成度及功能方面考慮，主要選用TI公司出品的CC2431。該芯片集成了以下功能：低功耗、高性能的8051微控制器內(nèi)核；一個基于IEEE 802.15.4的2.4 GHz射頻收發(fā)器；128 kb可編程Flash存儲器；8 kb RAM。搭配少部分的外圍部件即可輕松實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能，且工作時的電流損耗最大為27 mA，能輕松滿足整個系統(tǒng)低成本、低功耗的要求。

每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)至多能容納255個節(jié)點(diǎn)設(shè)備，且一個區(qū)域允許100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時存在，所以這對廣電大樓電力信息、環(huán)境因素等實(shí)施分層監(jiān)控非常關(guān)鍵。根據(jù)樓層功能和重要性的需求分析，設(shè)置數(shù)量不一的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee模塊在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月，甚至更長。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將采集到的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議包，由路由器節(jié)點(diǎn)以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)包傳送給協(xié)調(diào)器。每次跳接都能夠在75 m的半徑范圍內(nèi)提供最高為250 kbps的數(shù)據(jù)速率。

圖1 終端節(jié)點(diǎn)通信架構(gòu)

2.2 傳感器模塊

在我國的廣播電視安全播出事故中，因電力引發(fā)的事故大約占40%～60%。所以應(yīng)對電力設(shè)備的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)智能化的輪巡檢查，同時把環(huán)境因素納入管理，真正做到電力安全的精細(xì)化管理。故本系統(tǒng)可以考慮部署以下類型的傳感器。

2.2.1 安防信息管理

對電房、機(jī)房設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻圖像采用H.264壓縮方式，占用帶寬小，但考慮到ZigBee承載流量的問題，故直接通過電力路由傳輸至監(jiān)控中心，并在監(jiān)控系統(tǒng)中集成遠(yuǎn)程錄像、檢索回放功能，實(shí)現(xiàn)事故后的快速取證。同時兼容門禁系統(tǒng)，監(jiān)控中心可記錄常規(guī)人員的進(jìn)出信息；或在發(fā)生故障時靈活授權(quán)給應(yīng)急技術(shù)人員，兼顧了管理與考勤職能。與此同時在重要機(jī)房及設(shè)備區(qū)域設(shè)置紅外探測器，發(fā)生外來人員的緊急入侵事件時可通過短信或電話通知值班人員。

2.2.2 消防信息管理

無論是涉及人員安全還是設(shè)備安全的重大事故，對相關(guān)部門而言，都是一種巨大的損失。所以在電房及機(jī)房應(yīng)設(shè)置溫度傳感器、煙感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯龋诙喾N信息融合判決下，給出不同等級的消防預(yù)警，以便在發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)事件時，可以實(shí)時解除門禁系統(tǒng)以方便人員疏散，同時還需要與消防中心進(jìn)行信息互通，對涉及位置的電力設(shè)施予以快速切斷，實(shí)現(xiàn)有效聯(lián)動，避免事故的擴(kuò)大化。

2.2.3 動環(huán)信息管理

電器設(shè)備的敏感性決定了供配電人員必須關(guān)注環(huán)境變量，溫濕度作為基礎(chǔ)變量，更應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測。利用ZigBee的雙向通信特性，與機(jī)房空調(diào)，抽濕設(shè)備等組成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精密空調(diào)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的聯(lián)動，達(dá)成對機(jī)房溫濕度微調(diào)的效果。對敏感、重要設(shè)備還應(yīng)考慮漏水，防雷等輔助監(jiān)測，及時排除因極端天氣等因素造成的設(shè)備損壞。

2.2.4 電力信息管理

現(xiàn)代電力信息管理基本可以分為UPS監(jiān)測、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、配電參數(shù)監(jiān)測和發(fā)電機(jī)監(jiān)測。UPS監(jiān)測主要以兼容各廠家的智能通信接口為主，對UPS內(nèi)部整流器。逆變器、電池、旁路、負(fù)載等各部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控必須層級遞進(jìn)。從進(jìn)線柜，出線柜再到各層電房的分開關(guān)，發(fā)生跳閘或斷電時立即報警提示技術(shù)人員，以便盡快處理。配電參數(shù)也是需監(jiān)測的重要指標(biāo)。能源站中的配電參數(shù)可設(shè)置電量儀直接與服務(wù)器通信，而大樓配電房中電壓、電流、電度等參數(shù)都需通過ZigBee模塊分層采集后由路由器發(fā)往監(jiān)控中心處理。發(fā)電機(jī)作為安全播出的重要保障，輸出電壓、功率、油量、水溫、轉(zhuǎn)速等參數(shù)也應(yīng)設(shè)置監(jiān)控節(jié)點(diǎn)后納入統(tǒng)一管理。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

智能供配電監(jiān)控軟件設(shè)計主要分上位機(jī)（管理系統(tǒng)）和下位機(jī)（ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）。下位機(jī)軟件包括3個部分：協(xié)調(diào)器軟件、路由器軟件、終端節(jié)點(diǎn)軟件。下位機(jī)可以依托于TI本身的協(xié)議軟件—Z-Stack。Z-Stack協(xié)議棧為用戶寫好了協(xié)議部分的代碼，只需開發(fā)人員把主要精力投入應(yīng)用層開發(fā)即可，省去了開發(fā)底層協(xié)議的繁瑣工作。

3.1 下位機(jī)及上位機(jī)設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器發(fā)動并建立，協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描，找到一個空閑信道進(jìn)行通信。同時確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋮?shù)及使用的路由算法。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時，只要將自己的信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供相應(yīng)的認(rèn)證信息，即可請求加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從父節(jié)點(diǎn)處得到自己的MAC地址、ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)等信息。父結(jié)點(diǎn)將它的相關(guān)信息添加進(jìn)鄰居表。終端節(jié)點(diǎn)要想離開網(wǎng)絡(luò)，則向其父節(jié)點(diǎn)提出請求。父結(jié)點(diǎn)將請求處理后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，同時清除該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。協(xié)調(diào)器可以實(shí)時掌控網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息。

在數(shù)據(jù)傳送時，不同類型的節(jié)點(diǎn)有著不同的處理方法。網(wǎng)絡(luò)中主要有兩種不同的節(jié)點(diǎn)，一種是充當(dāng)路由器的FFD（全功能設(shè)備）節(jié)點(diǎn)，另一種是終端RFD（精簡功能設(shè)備）節(jié)點(diǎn)。它們所使用的路由方式是不同的。RFD節(jié)點(diǎn)收到報文后，只判斷是否是給自己的報文。如果是，則交給上層處理；如果不是，則直接丟棄。FFD節(jié)點(diǎn)收到報文后，先判斷是否是給自己報文。如果是，則交給上層處理；如果不是，則判斷目標(biāo)地址是否是鄰居節(jié)點(diǎn)。如果是，則直接發(fā)送到目標(biāo)地址；如果不是，則查看現(xiàn)有的路由表是否有路由途徑。如果有，則按照表中的路由途徑轉(zhuǎn)發(fā)；如果沒有，則查找目標(biāo)地址的路由途徑。如果找到，則按照找到的途徑轉(zhuǎn)發(fā)，并且將找到的途徑添加進(jìn)路由表；如果沒有，則通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)失敗。

上位機(jī)軟件可以參考NI公司的Labview。Labview不僅提供了強(qiáng)大的虛擬儀器軟件規(guī)范庫，還能利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，在計算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。同時Labview還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）由于虛擬儀器關(guān)鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設(shè)備連接比較容易實(shí)現(xiàn)。而且虛擬儀器可以方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他應(yīng)用連接，還可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多用戶數(shù)據(jù)共享。

（2）虛擬儀器可實(shí)時、直接地對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，也可通過計算機(jī)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ骰虼蛴C(jī)。這樣做一方面解決了數(shù)據(jù)的傳輸問題，一方面充分利用了計算機(jī)的存儲能力，從而使虛擬儀器具有近乎無限的數(shù)據(jù)記錄容量。

（3）虛擬儀器價格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。

3.2 精細(xì)化設(shè)計

作為一個集成式的軟件監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)采用一體化、模塊化設(shè)計理念；具備彈性擴(kuò)容、分批部署、安全可靠等特點(diǎn)，能真正實(shí)現(xiàn)一站式服務(wù)。本系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)監(jiān)控軟件，也考慮在精細(xì)化管理方面作一些設(shè)計。

（1）UPS是電力保障的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而UPS中蓄電池的性能更是決定著市電失電后的保障時間。所以不僅要對電池電壓、溫度、連接可靠性等作監(jiān)控，還需利用停機(jī)維護(hù)時間做蓄電池的放電曲線測試，記錄各單體電池的曲線，測算容量。并存入歷史記錄，進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)比對，以可視化的圖表方式實(shí)時顯示電池的優(yōu)劣狀況，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

（2）利用ZigBee布置簡易的特點(diǎn)，將機(jī)房的微環(huán)境納入監(jiān)控。精密電力設(shè)備對環(huán)境溫濕度都比較敏感，傳統(tǒng)監(jiān)控一般只布置并監(jiān)控空調(diào)周圍，難以反映整個運(yùn)行狀況。所以對電力機(jī)房乃至集成式的IDC機(jī)房，大量布設(shè)ZigBee監(jiān)控節(jié)點(diǎn)非常有必要。

（3）利用ZigBee結(jié)構(gòu)部署的特點(diǎn)，對辦公區(qū)空調(diào)、照明、設(shè)備機(jī)房等區(qū)域的用電量，停斷電時間等進(jìn)行記錄，并以報表的形式進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算出大樓用電的特性，以便后續(xù)制定空調(diào)的分層分時供給，辦公用電的智能關(guān)停計劃，減少電能損耗及浪費(fèi)的情況，從源頭上實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，基于ZigBee無線傳感技術(shù)，提出以大樓為模型的模塊化分層、分結(jié)構(gòu)的監(jiān)控管理。整個ZigBee配電管理系統(tǒng)對提高電能利用效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為分布式能源的利用具有重要意義；同時對配電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時檢測計量、數(shù)據(jù)采集、匯總分析、縱橫比較等，能及時發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行實(shí)時反饋，通過人工干預(yù)或自動控制的方法進(jìn)行處理，達(dá)到迅速發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的效果，而且采用 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的形式使整個配電管理系統(tǒng)的設(shè)計更加靈活，更加方便，是實(shí)現(xiàn)機(jī)房乃至整個辦公大樓的精細(xì)化、智能化管理的有效手段。

[1]田忠，宋鐵成，葉芝慧，等.基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師，2006（7）：25-29.

[2]彭瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低復(fù)雜度的無線電通信協(xié)議—ZigBee[J].自動化儀表，2005（5）：124.

[3]李燕君，王智，孫優(yōu)賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路分析與建模[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007（8）：1846-1851.

[4]李淼，劉瀾濤，詹宏聃.遠(yuǎn)程機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2009（Z1）：113-115.

Design of wireless power distribution monitor system based on ZigBee

Zhang Hai
（Guangdong Radio Television, Guangzhou 510000, China）

In view of the current intelligent power distribution management requirements, this paper discusses a kind of wireless power distribution monitor system based on ZigBee. The ZigBee terminal device of the system is based on CC2431 module, and the system with multi-type sensors transfers the dynamic environment date of the television building to the monitoring center. The monitoring center uses the visualization and detailed management to ensure the safety and reliability of the electricity, and ensures the security broadcasting of the television programs. The system has good fl exibility and scalability, and is a low-power, low-complexity and low-cost wireless monitor program.

power distribution of the radio and television; ZigBee; wireless monitor; detailed management; tree topology

張海（1990— ），男，江蘇南通，本科，助理工程師；研究方向：廣播電視供配電。