基于無線傳感網的通信網絡電源控制系統設計

賀喜玲

(鄭州輕工業學院輕工職業學院計算機系，河南鄭州450000)

基于無線傳感網的通信網絡電源控制系統設計

賀喜玲

(鄭州輕工業學院輕工職業學院計算機系，河南鄭州450000)

利用TI公司的低功耗ZigBee網絡收發芯片CC2531，構建了基于IEEE802.15.4協議的通信網絡電源控制系統。該系統以無線傳感網為底層通信主體，以各種傳感器為數據采集的載體，形成了自下而上的電源控制體系，保證了系統運行的可靠性。運行結果證明，該方案ZigBee芯片所具有的休眠功能極大地降低了系統的損耗，形成了控制靈活、成本低、功耗小的運行特征。

通信網絡；電源系統；在線監測；無線傳感網

無線傳感網(wireless sensor networ，WSN)是一種新型的網絡構建體系，集信息采集、處理、無線傳輸于一體，具有構建靈活、運行可靠、經濟可行的基本運行特征。它的出現給人類的生產和生活帶來了深遠的影響。在環境監控、電氣控制、國防軍事、醫療衛生等領域具有廣闊的應用前景[1]。

ZigBee技術是一種新興的短距離、低成本、低速率的無線網絡技術，是一種介于無線標記技術和藍牙之間的方案[2]。ZigBee技術工作在 2.4 GHz免費頻帶范圍內，基礎為IEEE802.15.4標準，可以在數千個微小的傳感器之間相互協調地通信，而每個傳感器只需很少的能量，就可以以接力的方式通過無線電波將數據從一個節點傳到另一個節點，具有結構靈活、安全可靠性高及能量消耗低的優點。

目前，ZigBee是發展最快、市場應用非常廣泛的短距離通信技術之一。在工業控制、樓宇智能化、電子消費、醫療控制等多個領域具有比較成熟的產品。本文借助ZigBee技術，設計了基于IEEE802.15.4標準的無線傳感網絡，以通信網絡中分布式電源為監控的主體，形成了自下而上的控制體系。

1 系統總體設計

為了適應監測的功能需求，系統采取四層的總體結構，這四層分別為數據采集及控制層、通信層、數據存儲及表現層和客戶應用層。數據采集及控制層，由各種傳感器、控制執行機構組成，主要實現通信網絡中電源運行狀態數據的采集和控制命令的執行；通信層是底層采集數據向上傳送的通道，核心部件是一個嵌入式芯片或現場PC機構成的網關，使底層的數據通信與公共傳輸網相連接。當使用現場PC機時，可以在這一層加設一定規模的數據庫，以完成現場數據的存儲和處理功能，從而達到加速現場控制的目的；數據存儲及表現層的核心部件是服務器，是整個系統數據處理的中心，也是控制命令的轉發重地。服務器內設置專門用于實現數據存儲和處理的數據庫，內存電源的運行標準數據、閾值數據、分布式通信電源網絡拓撲結構、蓄電池液位標準參數值等，這些數據是電源運行時的正常值及閾值范圍，用來與上傳的參數值進行對比分析，以確定電源的運行狀態。同時在數據庫中還要存放相應的歷史數據和統計數據，以便更為靈活地掌握電源設備的運行狀態；表現層的含義是利用模塊化程序設計的思想，將數據庫的內容用程序的方式在服務器中體現，為了實現簡單方便的客戶應用層，本設計在該模塊中特別增加了設備狀態計算分析、故障預警及診斷、電源分布拓撲計算等功能，并且將這些功能利用WEB組件實現了與客戶應用層的接口；系統的最上一層為客戶應用層，設計采用B/S結構，利用基于J2EE分布式多層應用構架技術形成Web應用平臺，實現了隨時隨地與客戶交互，接收、顯示來自服務器的計算結果，及提交用戶控制命令的動態效果。整個結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

2 底層通信網絡及傳感器設計

2.1 底層通信網絡構建

信息的獲取是監控的第一步，是信息傳輸、處理和應用的基礎環節。在本設計中，采用無線傳感網來實現信息的獲取過程。無線傳感網(WSN)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信和分布式信息處理等技術，能夠通過各類集成化的微型傳感器協同完成對各種環境或監測對象信息的實時監測、感知和采集。這些信息通過各種無線方式被發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的連通[3]。

在本設計中，所采用的無線傳感網的基本體系結構如圖2所示。底層數據采集部分由傳感器節點群來構成，每一個傳感器節點由一個微型的嵌入式系統構成，本設計中采用ZigBee節點CC2530來構成，中間的Sink節點采用能量較強的嵌入式節點，作為整個傳感器的匯聚節點。

圖2 無線傳感網體系結構

2.2 傳感器選擇分析

在自動化控制領域，系統運行過程的自動監測，需要用到各種具有不同功能的傳感器，因此傳感器是自動控制系統的關鍵性基礎器件，直接影響到自動化技術的質量和水平。在一個通信網絡電源的監控過程中，需要對電源本身的電壓、電流、溫度、液位等參數進行監視，同時還要對環境的溫度、濕度、煙霧、門禁情況進行異常報警，因此，傳感器的選擇是一個系統成敗的關鍵。

在本設計中，由于電源運行時主要參數是電流和電壓，因此，本設計主要分析電流與電壓傳感器的選擇。

19世紀，美國物理學家霍爾發現了金屬中所具有的霍爾效應。隨著半導體技術的成熟，這種效應在半導體中展現出更為直觀的表現。因此，以霍爾效應為依托的半導體器件成為傳感器家族中很重要的一員。

根據電磁感應原理，將通電的導體或半導體放在磁場中時，當電流方向與磁場方向垂直時，在導體的另外兩側會產生感應電動勢，這種現象可以用式(1)來表示。

霍爾元件具有體積小、外圍電路簡單、動態特性好、靈敏度高、頻帶寬等優點。從式(1)中可以看出，當霍爾元件確定之后，就成為定值，因此，當磁場強度不變時，傳感器輸出正比于激勵的電流，這樣就可以實現與電流有關的物理量的測量，例如電流或電壓。在本設計中，電源系統的電流和電壓等參數值就是通過霍爾電流/電壓傳感器來測量。

在終端節點上，利用CC2530的連續模/數轉換能力獲取隨時間變化的采樣電壓或電流值，采樣結果一方面通過DMA傳輸，一方面利用LCD進行顯示。而ADC的連續采樣主要是通過ADCCFG、ADCCON2和ADCCON1寄存器完成輸出電壓或電流的采樣工作。具體過程為首先設置DMA，并將DMA通道0作為數據傳輸通道，然后設置定時器1作為ADC連續采樣的觸發事件，從信道7進行ADC連續采樣。具體代碼為：

為了提高采樣的精確度，節點還選用了 ADC_SEQUENCE_SETUP和ADC_TRIGGER_FORM來實現具體的采樣過程。

CC2530具有4種不同的功耗模式：PM0、PM1、PM2、PM3，其中PM0為全功能運行模式，功耗較高，PM3為休眠模式，功耗很低。在運行過程中，CC2530會根據晶振的工作狀態來決定工作模式，從而實現了運行過程的低功耗。

3 總結

本文較為詳盡地闡述了通信網絡電源控制系統的整體結構，重點分析了底層數據采集的構建過程。整個底層數據采集層由無線傳感網來組成，核心通信技術采用ZigBee，組成短距離多跳自組織數據傳輸網絡。電源電壓與電流采用霍爾電壓或電流傳感器來實現，并利用CC2530中的DMA實現數據的連續采樣及上傳功能。

[1]韓磊，曹欲曉，田麗鴻.無線傳感網的一種鄰居搜索方法[J].計算機技術與應用，2011(3)：60-62.

[2]楊峰，孫玲玲，汪大卓.一種基于無線傳感網的呼叫服務系統設計[J].杭州電子科技大學學報，2009(10)：23-25.

[3]高守瑋.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013：1-3.

Design of power communication network control system based on wireless sensor network

Using the TI company's low-power ZigBee transceiver chip CC2531 network,a communication network power supply control system based on IEEE802.15.4 agreement was built.The wireless sensor network was put as the main body of the underlying communication,and a variety of sensors for data acquisition of the carrier was put.A bottom-up power control system was formed,and the reliability of the system's running was ensured.Running results show that the scheme of ZigBee chip with sleep function greatly reduce the loss of the system,and the formed has the characteristics of flexible control,running of low cost,low consumption.

communication network;power supply system;on-line monitoring;wireless sensor network

TM 762

A

1002-087 X(2016)03-0723-02

2015-10-13

賀喜玲(1981—)，女，河南省人，碩士，講師，主要研究方向為計算機網絡技術。