ZigBee無線組網技術在避雷器監測系統中的應用※

劉凱，姚振東，皮波，鄧云逸，邱玲，孫述蒙

（成都信息工程大學 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都610225）

劉凱（碩士研究生），研究方向為氣象雷達系統及其應用。

引 言

避雷器是電網中保護電力設備免受高電壓危害的電氣設備，在傳統的檢測避雷器模式下，其可靠性及時效性很差［2］。通過采用ZigBee無線組網技術，利用其在無線數據采集、傳輸、控制上的優勢，實時檢測避雷器狀態，提高檢測效率，實現檢測的自動化、網絡化、智能化。本文提出了一種基于樹狀網絡的實時監測系統的組網方案及實現方法，為整個系統的數據傳輸提供了有效保障。

1 監測系統架構

1.1 網絡結構

在線監測系統結構框圖如圖1所示，整個無線網絡主要由采集節點、路由中繼器、協調器三部分組成。采集節點定時向協調器發送數據包，利用遠程傳輸技術（如GPRS、GSM）將數據傳輸到管理部門，實時在線檢測避雷器狀態。

1.2 終端節點數據采集檢測、傳輸框架

避雷器檢測主要由雷擊計數器模塊、電流采集模塊、色塊檢測模塊、CC2531＋CC2591 路由中繼電路，信號處理模塊及顯示模塊組成，如圖2所示。

圖1 在線監測系統結構框圖

圖2 單個避雷器檢測結構框架

2 ZigBee無線組網實現

2.1 Z－Stack運行流程

Z－Stack協議棧運行過程主要包括以下兩個過程［8］：

①初始化：關閉所有中斷，檢測芯片電壓，軟件各模塊驅動初始化，如Timer、ADC、DMA、LED，LCD、UART、SPI等；初始化NV（非易失變量Non－Volatile）、ZMAC 以及確定設備MAC地址等一系列配置操作；初始化操作系統。

②運行操作系統（OS）：不斷查看事件列表，比較優先級，由函數指針執行輪轉查詢式操作系統。

2.2 協調器、路由器、終端節點入網流程

協調器主要負責整個網絡的建立、通信信道的選擇（第11信道）、網絡初始化相關配置以及允許子節點加入網絡等任務，并且一個網絡有且僅有一個協調器。路由器用于在節點間傳遞數據包，并允許子節點加入，在這里協調器和路由器統稱為全功能設備（FFD）。終端節點（采集節點）稱為簡單功能設備，其作用僅限于尋找并連接路由器而不能進行數據包的路由，只能將采集的數據發送給臨近的路由或直接向協調器發送數據。協調器上電之后便進入組網流程，在組網過程中協調器按照ZigBee 協議規定，各層之間進行一系列的會話，完成新網絡的參數配置直至網絡建立成功，然后路由節點開始加入網絡，采集節點也隨之加入網絡［3，4，8］，協 調 器 入 網 過 程 和 路 由 器、終 端帶點入網過程略——編者注。

3 ZigBee網絡性能

3.1 無線網絡性能及其關鍵技術

在實際環境中，可能包含著WiFi、GPRS、藍牙等各種無線電波。在這種復雜的無線網絡環境中，ZigBee無線組網技術作為一種新加入的網絡技術，如何與其他無線網絡共存，如何保持數據傳輸的安全性、可靠性是ZigBee網絡所面臨的突出問題，ZigBee網絡在數據傳輸中抗干擾能力的強弱會直接影響到無線網絡數據傳輸質量的好壞，Zig－Bee采用了以下幾種技術來克服以上問題。

通過采用直接擴頻技術 （Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬的低功率頻率。相對其他的通信技術，DSSS具有抗干擾能力強、抗多徑干擾能力強、對其他無線干擾小、抗截獲能力強、可以同頻工作、便于實現多址通信等優點。在同等條件下，其傳輸距離大于跳頻技術，且誤碼率指標更好。

ZigBee除了采用頻率捷變技術和DSSS技術以外，還具有動態信道選擇、空閑信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）特性，同時應用沖突避免機制的信道算法可提高信道傳輸的可靠性、安全性和穩定性。

3.2 CSMA－CA工作原理及檢測方式

ZigBee在建立網絡時，首先會掃描所有的信道，分析信道的參數情況，如：信道的信號能量是否低于設定閾值、判斷該無線信道的擴頻信號和載波頻率特征等［7］。內部IEEE 802.15.4協議采用帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問（CSMA－CA）技術來實現信道的訪問。設備傳輸數據時，首先執行空閑信道評估，以確保沒有其他設備占用該信道，等待一段隨機時間后，設備才發送數據；設備接收端如果正確收到數據，經過一段時間間隔后，向發送端發送確認幀；發送端收到確認幀后，確定數據正確傳輸，再經歷一段時間間隔后，會出現一段空閑時間等待下一幀數據，如此反復。若發送設備在規定時間內沒有收到確認幀，就必須重傳此幀，直到收到確認幀為止，或者經過若干次的重傳失敗后放棄傳送。

CSMA－CA 采用能量檢測（ED）、載波檢測（CS）和能量載波混合檢測3種檢測信道空閑的方式。在選擇的信道中，如果設備要發射一個信號，它首先要進入接收模式，檢測和評估信號能量的閾值，此過程稱為能量檢測（Energy Detection，ED）。在ED 模式下，接收機不對信號進行解碼，只估計信號能量的閾值。例如：若一個信號已經在所需的信道上但信號的能量低于用戶所設定的閾值，此時ED無法確定該信號是否為IEEE 802.15.4信號。與能量檢測相比，載波檢測（Carrier Sense，CS）用信號的類型來判斷信道空閑或繁忙。例如：若信號是IEEE 802.15.4信號且信號能量低于用戶定義的閾值，設備仍能檢測到信道上有信號并處于忙狀態。同時，具有上述兩種檢測功能則為能量載波混合檢測。

4 CC2531＋CC2591功率放大設計

4.1 CC2531＋CC2591功率放大電路

CC2531＋CC2591功率放大電路設計較為簡單，如圖3所示，只需將P1＿1和PAEN、P1＿4和EN、P0＿7和HGM三對引腳通過串聯一個100Ω 的電阻相互連接，此時若芯片正常工作，則3個引腳的邏輯電平如表1所列。值得注意的是，PAEN 與EN 只能連接在P1＿0到P1＿5，這是由CC2531芯片本身決定的，HGM 可以任意定義。

在協議棧中特別注意要修改PAEN 與EN 引腳所對應的寄存器OBSSEL（X），否則芯片將無法正常工作。

圖3 CC2531＋CC2591功率放大電路

表1 CC253x＋CC2591連接控制邏輯

4.2 典型電路分析

CC2591要工作在最佳性能必須要有適當的電源去耦電路。在圖3中，并聯電容C9、C10、C11和L2、L3、TL11、TL101、TL131，不但具有電源去耦功能，而且作為射頻負載確保CC2591工作在最優性能，偏置電阻R6是用于設置一個精確的偏置電流供給CC2591內部使用。此外，電源去耦元件的位置、大小、電源濾波及電路板PCB 布線，對于CC2591工作在最佳性能都非常重要。

CC2531射頻輸入／輸出電路是通過高阻抗的差分電路實現的（L4、L5、C15、C17、C13、C16）。由于CC2591內部不但包含功放（PA）、低噪放（LNA）、射頻開關電路，而且內部還集成了巴倫電路和RF 匹配網絡，使CC2591和CC2531無縫銜接，所以在CC2531和CC2591之間只需要少數組件就可作為射頻輸入／輸出的匹配使用。

CC2591和SMA 天 線 之間 的 組 件 （L7、C22、C21、C23、L8）是50Ω 的RF阻抗匹配網絡，同時整個電路板合理的布局布線會直接影響無線傳輸的性能。

5 性能參數計算

5.1 發射功率選擇

由TI公司給出的數據文檔可知，不同TXPOWER 寄存器的值對應不同的發射功率。表2給出了部分對應關系，由TI數據文檔可知，當單獨使用CC2531時其最大發射功率為＋4.5dBm，其對應寄存器的值為TXPOWER＝0xF5，而在實際協議棧中其程序所給出的寄存器TXPOWER＝0xF5，所對應的最大發射功率為＋3dBm，修改協議棧中TXPOWER寄存器的值，可調節其發射功率范圍為－22～＋3dBm。當加入CC2591功率放大后，其對應的發射功率范圍為＋10～20dBm。在Z－Stack協議棧中根據實際情況綜合考慮，設定TXPOWER＝0xD5，即設置CC2531的輸出功率為1dBm，設置CC2591的發射功率為19dBm，具有較大的功率輸出，所以總發射功率為20dBm。

表2 CC2591和CC2531發射功率選擇

5.2 通信距離計算

在實際環境中，任意兩點之間通信，環境給傳輸波帶來的損耗一般是無法定量估算的，而且隨環境變化千差萬別。若沒有使用外部PA／LNA（CC2591），兩個節點之間的傳輸距離可由下式進行估算［4－5］：

若使用外部PA／LNA（CC2591），兩節點傳輸距離由下式

估算：

其中：P0為發射節點功率（包括天線增益），單位為dBm；Pr為接收節點的靈敏度，Pr＋LNA為外部增加低噪放的總接收機靈敏度，單位為dBm；n為路徑損耗指數（自由空間取2，普通辦公樓內部取2.7～4.3）；Fm為衰落極限（若接收機靈敏度為95dBm 且在某特定環境下，推薦取8；室內范圍常取6～10），單位為dB；f為信號頻率，單位為MHz；PPA為CC2591外部增加的發射功率，單位為dBm；NFLNA為外部低噪放（CC2591的LNA）的噪聲系數，單位為dB；NFr為自身初始噪聲系數（不加LNA），單位為dB；GLNA為外部LNA 的增益，單位為dB；LT／R為每個T／R 收發開關引起的總損耗。

實際應用中測得距離的理論值與實際值如表3、表4所列。

表3 不加CC2591距離參數分析

表4 加CC2591距離參數分析

對以上兩表測得的數據分析，可得到理論值和實際測量值存在較大的差異，原因主要有兩個。其一環境因素影響測量結果，由于測量場地的局限性，如在實驗室中，房間、墻壁、書柜等外界因素的遮擋使得電磁波傳輸的距離大大降低，很大程度上影響了測量結果。其二自身電路板設計中射頻芯片CC2591接地不良以及電路板部分布局不合理，使得傳輸距離降低。

由于外界環境的多樣性、復雜性等不可控因素的存在，所以在設計電路時要盡量克服自身電路對傳輸距離的影響，為此在布線中盡量參照TI公司所給的參考布局方式進行電路板的設計，特別是電源去耦電路、高阻抗的差分電路，以及連接天線的射頻匹配網絡，而且必須將兩芯片接地端有效接地，否則會大大降低其傳輸性能。

結 語

采用ZigBee無線傳輸技術設計了一種基于樹狀型網絡拓撲結構的避雷器監測系統，使傳輸距離增加到1km，同時給出了協調器、路由器、終端設備在Z－Stack協議棧中的入網流程。為了提高數據傳輸的可靠性、安全性、鏈路質量、抗干擾能力，較為詳細地分析了ZigBee無線網絡中DSSS和CSMA－CA關鍵技術對于數據傳輸的影響。同時簡要分析了CC2531＋CC2591功率放大電路中的電源去耦電路、高阻抗差分電路，最后給出了通信距離的理論分析和實際測量值，并簡要分析了兩組數據存在差異的原因。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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