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ZigBee在电力系统温度测量中的应用

作者:时间:2009-08-11来源:网络收藏

发电厂、变电站的高压开关柜中的母线众多。网络传感器需要大量分布,监控数据量大以及实时性要好等特点。网络采用片状和网状网络结构,最多可组成 65000个节点的大网,可以满足网络传感器节点的需求,但在 协调器(主节点)与 路由, ZigBee网关之间的线路传输的数据量大,而速率最高仅为250kbps,满足不了该系统要求。并且 ZigBee网络采用CSMA/CA的媒质访问控制机制、确认帧的应答方式和 CRC-16 ITU的校验机制。所有节点在一个网络中,那么冲突域很大,影响传输效果。
为提高骨干网的传输效率,减小无线网络传输信号碰撞,缩短延时时间,更有利于提高数据传输效率,方便系统管理与维护。在设计该系统时对网络做了两点改进:
一、把整个无线传感器网络分成多个子网,把蜂窝网络结构引入到 Zigbee网络中,如图,每一个六边型区域构建一个 ZigBee网络,如图 5蜂窝网络结构(小区制),相邻区域使用不同的频率,不相邻区域可以使用相同的频率。根据 IEEE 802.15.4-2003协议(共规定了 27个通信信道: 868MHz有 1个,速率为 20kbps;915MHz有 lO个,速率为40kbps; 2.45GHz有16个,速率为 250kbps。[1]),ZigBee网络频率采用 2.45GHz, 16个通信信道足够,这样满足了系统的需求,也不浪费无线频率资源。并根据系统安装的情况和用户的配置,由 ZigBee网络管理器负责进行管理。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/157891.htm


二、子网与监控管理子系统之间的骨干网,根据工业现场的条件采用以太网或高速 RS-485网络传输。采用各种网络的长处在实际中得到了良好的效果。
4.2可靠性设计
在该系统中传感器节点与ZigBee网络管理器之间的数据通信是基于ZigBee无线网络的。在无线传输过程中,由于受传输距离、现场状况等许多可能出现的因素的影响,传感器节点与ZigBee网络管理器之间通信常会发生无法预测的错误。为了使系统能够可靠地通信,在设计ZigBee通信协议栈时需考虑数据传输的可靠性。
1.在物理层对发送数据进行CRC校验以保证传输的正确性。 2. MAC层数据通信采用GTS模式,保证ZigBee无线网络中数据通信的可靠性。
3.传输层提供可靠传输服务,要求接收方响应确认帧。
4.传感器节点调用ZigBee协议栈层数据服务接口,便可将数据传输到ZigBee网络管理器。 5. ZigBee网络管理器和监视中心主机之间数据通信是基于以太网网络(或RS-485)的, ZigBee网络管理器采用 AX88796以太网控制器(或工业级 MAX485)芯片实现数据传输,它们的各种机制和算法保证了数据可靠传输。

无线传感器节点和ZigBee网络管理器都有看门狗,硬件电路进行了抗干扰设计。系统数据库采用稳定可靠的实时数据库Infoplus,管理终端与服务器分开,保证系统稳定可靠运行。
4.3节点低功耗设计
在电力母线测温系统中,传感器节点安装后,需要持续工作很长时间,高能量电池的选择是必要的,但节点的节能是一个更加重要的问题。降低温度采集器的能耗,主要通过选择低功耗芯片,减少芯片工作时间:采用内部集成符合 IEEE802.15.4标准的 2.4GHz的射频 (RF)收发器的CC2430无线单片机和数字温度传感器 DB18B20芯片,可满足传感器网络对低功耗的要求;CPU以最快的速度执行任务,然后进入休眠模式,通过中断唤醒单片机和射频收发器。设计 ZigBee通信协议栈,各层均实现节能机制,降低节点的能耗,尽量降低信号的发射功率。信号发射功率的降低会导致发送节点的功耗下降。MAC层数据通信采用GTS模式,在保证时隙内发送数据,其它时隙可以进入休眠模式。芯片还采用了CSMA-CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突[5],也减少了不必要的能量消耗。经过测算,选用高能量的电池,该无线温度传感器可以工作十年左右。5 结束语
该无线温度传感器网络以ZigBee网络通信为核心,结合蜂窝网络结构和高速局域网的优点,减少信号碰撞,增强系统骨干网的传输能力。采用低成本、低功耗无线单片机 CC2430、数字温度传感器获取数据,理想地实现了高压测温一次设备和二次监测设备的电隔离、保证系统的安全可靠性。实现了高压母线温度数据的自动化,很好的解决了高压环境下,母线温度检测的问题。系统工作稳定可靠、检测精度高,速度快,且具有无线数据通信灵活方便等特点。随着 ZigBee网络的快速发展,将更加适用于工业现场环境、监测封闭空间和其它需要多点监测的特殊场合。


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