基于ZigBee 自組網的智能感知生產控制系統設計

姚 冬，符傳福，陳欽柱，胡 微

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院，海南海口 570311；2.海南鼎立信科技有限責任公司，海南海口 570311）

物聯網技術通過先進的傳感技術、通信技術，實現萬物互聯、智能感知[1-3]。ZigBee 技術是一種典型的無線通信技術，具有低速率、低功耗、低成本、短距離以及能夠自組網的特點[4-7]，在智能家居、工業生產控制中廣泛應用[8-10]。

充電基礎設施的建設是保障電動汽車迅速發展與推廣應用的基礎。2020 年3 月，國家更是將充電設施建設作為七大“新基建”之一，積極推薦充電基礎設施建設。充電站結合本地光能資源以及儲能技術，構建光儲充一體化充電站是實現清潔能源消納、環境保護的新思路之一[11-12]。而光儲充電站的智能控制與安全監測依賴于穩定的通信系統，因此，文中將ZigBee 技術應用于光儲充電站，實現光儲充電站的智能感知與協同控制[13-16]。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee協議棧的架構

ZigBee 協議棧的結構如圖1 所示。其包括物理層、介質訪問層、網絡層與應用層。

圖1 ZigBee協議棧的結構

物理層處于ZigBee 協議棧的最底層，是整個ZigBee 無線網絡的核心基礎，實現了無線網絡信號的接收與發送，具備信道能量測量、網絡服務質量檢測、無線信道接入方式選擇等功能。

介質訪問層實現無線信道的接入控制，能夠控制設備之間的通信狀態。既能為設備之間建立可靠的通信鏈路，又能斷開設備之間冗余或不穩定的通信鏈路。

網絡層的主要作用是管理通信網絡，具備發起構建通信網絡、路由尋址及數據加密等功能[17]。

應用層的主要作用是在ZigBee 網絡上實現各種工程應用，其由應用支撐子層、應用對象與ZigBee 設備對象共三部分構成。應用支持子層實現綁定設備列表的維護，匹配具有不同服務需求的兩個設備；應用對象主要用于實現使用者需求的不同業務功能；ZigBee 設備對象主要是實現不同設備節點的網絡角色管理，建立不同節點之間的通信網絡并通過安全機制保障應用數據的安全傳輸。

1.2 ZigBee拓撲結構

ZigBee 網絡中的節點包括終端節點、路由節點與協調器3 種類型，終端節點實現數據的采集上傳以及接收來自上級的信息；路由器實現最優網絡路徑的選擇與路由尋址；協調器是整個網絡的核心，實現無線網絡的組建、初始化與協調控制。

如圖2 所示，根據組網形式，ZigBee 網絡拓撲結構可以分為星型、樹型與網狀3 種。

圖2 ZigBee網絡拓撲結構

星型拓撲具有結構簡單、建設成本低的優點，但整個無線網絡的信息傳輸依賴于協調器的性能。協調器的故障將導致整個無線網絡的癱瘓，因此星型拓撲結構適用于信息規模較小的場景。

樹型結構下協調器連接多個路由節點或終端節點，同時路由器也可連接多個路由節點或終端節點。樹型網絡中，信息由源節點傳輸至目標節點的路徑是唯一的。當傳輸路徑較長時，網絡開銷成本也較大，因此樹型網絡適用于網絡容量需求較小但覆蓋面積需求廣的場景[18]。

網狀結構由協調器、多個路由節點與終端及終端節點構成，其中協調器與終端節點構成網狀結構。網狀網絡組網方式靈活，信息傳輸具有多條可選的路徑。某個節點的故障不會影響整個網絡的傳輸，具有可靠性高、節點消耗低的優點，因此網狀結構適用于網絡容量需求大、節點數目多的場景。

2 智能感知生產控制系統設計

2.1 總體結構

文中將基于ZigBee 自組網的智能感知控制技術應用于電力系統中光儲充電站控制系統，實現光儲充電站中充電設備有序充電與光儲發電系統出力的智能感知與協同控制。

光儲充電站智能感知協同控制系統總體架構，如圖3 所示。光儲充電站包括直流充電設備、交流充電設備、光伏設備與儲能設備等電氣設備，每臺電氣設備均具有數據信息采集功能，再嵌入ZigBee無線通信模塊。終端設備采用全功能設備，具有路由功能，既作為終端節點，又可以作為路由節點。終端設備將采集的數據信息通過ZigBee 無線自組網絡傳輸至集中控制器；集中控制器匯總所有終端設備的采集數據，通過RS485通信串口傳輸至光儲充電站控制中心；光儲充電站運行優化決策算法，得到各臺終端設備的最優運行狀態，并通過集中控制器將控制指令下發至每臺終端設備，實現光儲充一體化最優運行決策。

圖3 光儲充電站智能感知與協同控制系統架構

2.2 硬件模塊設計

集中控制器是光儲充電站智能感知與協同控制系統的核心，為實現邏輯控制計算、ZigBee 無線通信與串口通信功能，其主要包含4部分硬件模塊，如圖4所示。

圖4 集中控制器硬件模塊架構

1）核心模塊設計

核心模塊是集中控制器的核心，綜合存儲容量、處理速度、外接接口等多方面的需求。文中的控制芯片選用STM32F103xE 系列芯片，其最大頻率高達72 MHz，具備512 kB 存儲器、112 個I/O 接口和多種通信接口，能夠滿足光儲充電站智能感知與協同控制算法的需求。

2）ZigBee 無線通信模塊

CC2530 芯片具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、功耗低等諸多優點，文中選用其作為ZigBee 無線通信模塊的主控芯片。同時通過CC2591 功放芯片來增加信號的傳輸距離，此外通信模塊還包括電源、串口通信、按鍵等外圍電路。ZigBee 無線通信模塊的框架如圖5 所示。

圖5 ZigBee無線通信模塊設計框圖

3）串口通信模塊

文中選擇串口通信方式，為了實現集中控制器與光儲充電站控制中心的通信，仍需增加USB 轉串口模塊，文中選取CH340 芯片實現。串口通信模塊電路設計框圖如圖6 所示。

圖6 串口通信模塊設計框圖

2.3 軟件功能設計

光儲充電站智能感知與協同控制系統的軟件實現，主要功能包括光儲充協同控制、狀態監測與故障診斷。其軟件主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統軟件主程序流程

3 實驗測試

在上述基于ZigBee 技術的光儲充電站智能感知與協同控制系統的軟硬件設計基礎上，搭建了實驗測試平臺。ZigBee 無線自組網絡需保障協調器與終端的距離必須在一定范圍內，以維持穩定的信號強度，保障數據傳輸質量。文中采用接收信號強度指標（Received Signal Strength Indicator，RSSI）衡量一定距離下，無線網絡的信號強度。常規ZigBee 無線自組網絡的RSSI 界限在-85～95 dBm 范圍內，當RSSI低于最低限制時，信號強度將無法保證網絡的正常通信。僅采用CC2530芯片與采用CC2530+CC2591功放芯片的ZigBee 無線網絡信號強度對比，如表1～2所示。

表1 CC2530芯片ZigBee網絡信號強度

表2 CC2530+CC2591芯片ZigBee網絡信號強度

可見隨著距離的增加，RSSI 逐漸減小。ZigBee無線通信模塊在僅采用CC2530 芯片的方案下，當距離大于70 m 時，信號強度不能滿足ZigBee 無線網絡組網要求；而采用CC2530+CC2591 芯片方案，當距離為70 m 時，RSSI 為-73.8 dBm，仍滿足通信要求，極限通信距離更是高達350 m。

4 結束語

文中分析了ZigBee 技術原理，并將其應用于光儲充電站的生產控制系統中，提出了基于ZigBee 自組網的光儲充電站智能感知與協同控制系統方案，且對關鍵硬件模塊與軟件功能進行設計。最終搭建實驗平臺進行測試，結果表明，文中所提設計方案采用ZigBee 無線通信芯片+功率放大芯片，相比于未采用功率放大芯片的設計方案，極限通信距離由70 m增大至350 m，能夠顯著提高ZigBee 網絡的有效通信距離，保障ZigBee 無線網絡數據傳輸的穩定性。