ZigBee在電力系統(tǒng)溫度測量中的應(yīng)用
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發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜中的母線眾多。網(wǎng)絡(luò)傳感器需要大量分布，監(jiān)控數(shù)據(jù)量大以及實時性要好等特點。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成 65000個節(jié)點的大網(wǎng)，可以滿足網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的需求，但在 ZigBee協(xié)調(diào)器（主節(jié)點）與 ZigBee路由， ZigBee網(wǎng)關(guān)之間的線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，而速率最高僅為250kbps，滿足不了該系統(tǒng)要求。并且 ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用CSMA／CA的媒質(zhì)訪問控制機(jī)制、確認(rèn)幀的應(yīng)答方式和 CRC-16 ITU的校驗機(jī)制。所有節(jié)點在一個網(wǎng)絡(luò)中，那么沖突域很大，影響傳輸效果。
為提高骨干網(wǎng)的傳輸效率，減小無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號碰撞，縮短延時時間，更有利于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，方便系統(tǒng)管理與維護(hù)。在設(shè)計該系統(tǒng)時對網(wǎng)絡(luò)做了兩點改進(jìn)：
一、把整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分成多個子網(wǎng)，把蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入到 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，如圖，每一個六邊型區(qū)域構(gòu)建一個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如圖 5蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（小區(qū)制），相鄰區(qū)域使用不同的頻率，不相鄰區(qū)域可以使用相同的頻率。根據(jù) IEEE 802.15.4-2003協(xié)議（共規(guī)定了 27個通信信道： 868MHz有 1個，速率為 20kbps；915MHz有 lO個，速率為40kbps； 2.45GHz有16個，速率為 250kbps。[1]），ZigBee網(wǎng)絡(luò)頻率采用 2.45GHz， 16個通信信道足夠，這樣滿足了系統(tǒng)的需求，也不浪費無線頻率資源。并根據(jù)系統(tǒng)安裝的情況和用戶的配置，由 ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)進(jìn)行管理。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/157891.htm
二、子網(wǎng)與監(jiān)控管理子系統(tǒng)之間的骨干網(wǎng)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的條件采用以太網(wǎng)或高速 RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸。采用各種網(wǎng)絡(luò)的長處在實際應(yīng)用中得到了良好的效果。
4.2可靠性設(shè)計
在該系統(tǒng)中溫度傳感器節(jié)點與ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器之間的數(shù)據(jù)通信是基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的。在無線傳輸過程中，由于受傳輸距離、現(xiàn)場狀況等許多可能出現(xiàn)的因素的影響，傳感器節(jié)點與ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器之間通信常會發(fā)生無法預(yù)測的錯誤。為了使系統(tǒng)能夠可靠地通信，在設(shè)計ZigBee通信協(xié)議棧時需考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?
1.在物理層對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗以保證傳輸?shù)恼_性。 2. MAC層數(shù)據(jù)通信采用GTS模式，保證ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信的可靠性。
3.傳輸層提供可靠傳輸服務(wù)，要求接收方響應(yīng)確認(rèn)幀。
4.傳感器節(jié)點調(diào)用ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層數(shù)據(jù)服務(wù)接口，便可將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)管理器。 5. ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器和監(jiān)視中心主機(jī)之間數(shù)據(jù)通信是基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（或RS-485）的， ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器采用 AX88796以太網(wǎng)控制器（或工業(yè)級 MAX485）芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，它們的各種機(jī)制和算法保證了數(shù)據(jù)可靠傳輸。
無線溫度傳感器節(jié)點和ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器都有看門狗，硬件電路進(jìn)行了抗干擾設(shè)計。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用穩(wěn)定可靠的實時數(shù)據(jù)庫Infoplus，管理終端與服務(wù)器分開，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。
4.3節(jié)點低功耗設(shè)計
在電力母線測溫系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點安裝后，需要持續(xù)工作很長時間，高能量電池的選擇是必要的，但節(jié)點的節(jié)能是一個更加重要的問題。降低溫度采集器的能耗，主要通過選擇低功耗芯片，減少芯片工作時間：采用內(nèi)部集成符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 2.4GHz的射頻 (RF)收發(fā)器的CC2430無線單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器 DB18B20芯片，可滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)對低功耗的要求；CPU以最快的速度執(zhí)行任務(wù)，然后進(jìn)入休眠模式，通過中斷喚醒單片機(jī)和射頻收發(fā)器。設(shè)計 ZigBee通信協(xié)議棧，各層均實現(xiàn)節(jié)能機(jī)制，降低節(jié)點的能耗，盡量降低信號的發(fā)射功率。信號發(fā)射功率的降低會導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點的功耗下降。MAC層數(shù)據(jù)通信采用GTS模式，在保證時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時隙可以進(jìn)入休眠模式。芯片還采用了CSMA-CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突[5]，也減少了不必要的能量消耗。經(jīng)過測算，選用高能量的電池，該無線溫度傳感器可以工作十年左右。5 結(jié)束語
該無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信為核心，結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高速局域網(wǎng)的優(yōu)點,減少信號碰撞，增強(qiáng)系統(tǒng)骨干網(wǎng)的傳輸能力。采用低成本、低功耗無線單片機(jī) CC2430、數(shù)字溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)，理想地實現(xiàn)了高壓測溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測設(shè)備的電隔離、保證系統(tǒng)的安全可靠性。實現(xiàn)了高壓母線溫度數(shù)據(jù)的自動化測量，很好的解決了高壓環(huán)境下，母線溫度檢測的問題。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高，速度快，且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活方便等特點。隨著 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，將更加適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、監(jiān)測封閉空間和其它需要多點監(jiān)測的特殊場合。
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