基于ZigBee的IPS网络化无线监测技术研究＊

武 瑾 江汉红 杨 武 侯重远

（海军工程大学电气与信息工程学院 武汉 430033）

综合电力系统（integrated power system，IPS）将舰船发、配电与推进用电、舰载设备用电等集成在一个统一的系统内，从而实现发电、配电、电力推进用电及其他设备用电的统一调度和集中控制［1］.IPS各子模块在空间布置上具有散布性，它们相对独立又相互影响、相互制约.尤其在大型舰船上，IPS的散布范围更大.因此，本文为有效地监测IPS运行状态，采用网络化技术对其运行状态进行实时监测，将IPS运行的散布状态参量加以集中管理和存储，并对越限参量及时发出报警信息以确保舰船综合电力系统无故障正常运转.

1 IPS网络化监测模型

随着IPS的发展，电能已成为舰船上主要能量形式，对散布全舰船空间的电能进行监控、分配和管理也显得越来越重要.图1依据双层网络结构模型提出了一种IPS网络化监测系统模型.

1.1 监测主干网

图1 IPS网络化监测系统模型

以太网应用于网络化监测系统的主干网，其优势表现在：技术成熟、应用广泛，软硬件资源丰富；数据传输率最高可达10Gb／s，可以实现IPS大规模的数据传输；能够实现与舰船管理自动化网络的无缝连接等等.然而，回路供电、低功耗、实时性、本安防爆、电磁兼容性、环境适应性等一些技术壁垒尚未得到解决，因此将以太网应用到现场层的建网方案并不可取.

1.2 监测底层网

表征IPS运行状态的参量数目多、实时性高，增加了有线监测底层网的有效载荷量和数据传输的网络时延；舰船环境极其恶劣——高湿、高温、强振动、强电磁辐射等，加大了对有线网络布线和维护工作的难度，因此为解决上述问题，考虑将无线组网技术应用于IPS网络化监测底层网.

2 IPS无线监测技术方案

2.1 几种短距离无线组网技术比较

目前，各种短距离无线组网技术层出不穷，包括蓝牙（bluetooth），ZigBee，RFID，Wi－Fi等等［2］.每种无线组网技术都有各自的优势和最擅长的应用领域，表1是它们的特点比较［3］.

表1 几种短距离无线组网技术的比较

由表1可以看出，ZigBee的优势主要体现在：网络容量大、低功耗、低成本、短时延、安全可靠等，这些特点能够很好地满足IPS对无线网络相关性能的要求.

2.2 基于ZigBee的监测底层网方案

ZigBee协议架构建立在IEEE802.15.4标准基础之上.IEEE802.15.4定义了ZigBee物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）；ZigBee联盟则定义了ZigBee网络层、应用层和安全服务规范.应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象［4］.

ZigBee支持星型、簇型和网状型三种网络拓扑.IPS无线监测底层网中选用的是网状型网络.网状型网络可以跨越较大的物理空间，适合距离较远并且较分散的结构，另外，它能够保证网络的健壮性和系统的可靠性，这也是ZigBee在诸多短距离无线组网技术中的突出表现［5］.

该网络中所有节点根据承担任务的不同分为ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备.协调器在确定射频通道和个域网标识后即建立一个新的ZigBee网络，并允许邻近路由器和终端设备加入.协调器和路由器都能进行数据转发、路由发现及维护.终端设备是网络中最简单的设备，不进行数据接收和发送时即处于休眠状态.

3 实验验证

3.1 ZigBee监测底层网的工程实现

以整流器散热器的温度监测为例进行Zig－Bee监测底层网的工程实现.在IPS电力推进子模块中，整流器可以看作是交－直－交变频器的一部分，将输出直流供给逆变器，另一方面还可以供给蓄电池充电，使之作为备用电源.该监测设计中的整流器采用不可控桥式二极管整流电路，通常，二极管都会有额定的温限，电流过大、环境温度过高等都会影响二极管温度的变化，因此，为保证整流器能正常工作，有必要监测散热器的温度.

3.1.1 硬件实现 ZigBee网络中有三类节点：ZigBee协调器、路由器和终端设备.终端设备通过I／O端口接入一个“单总线”数字式温度传感器DS18B20，该传感器非常适合于恶劣环境的现场温度测量.图2为ZigBee节点的结构框图.该网络可根据需要进行路由器和终端设备的扩充.

图2 ZigBee节点结构框图

节点核心芯片均选用德州仪器（TI）的CC2430片上系统，该芯片把一个高性能2.4GHz DSSS射频收发器、一颗工业级小巧高效的8051微控器、数据程序存储器以及外围单元集成到同一个硅片中.CC2430针对市场需求体现出众多优势：降低外部杂散噪声；减少成本；易于组装、测试；提高系统可靠性等［6］.

3.1.2 软件实现 软件实现采用C语言，以TI的Z－Stack协议软件为开发平台，在IAR EW8051－EV－720H集成开发环境中完成程序的编译、调试及下载，其编译界面如图3所示.

1）Z－Stack协议软件 Z－Stack是TI公司对ZigBee规范的具体实现，已被ZigBee联盟认可为ZigBee兼容平台［7］.Z－Stack为应用程序的开发者提供了必要的应用编程接口函数（API）.该协议软件由硬件适配层（HAL）、操作系统适配层（OSAL）、ZigBee联盟定义的协议栈上层＋IEEE802.15.4MAC、用户应用层和跟踪测试等子系统构成，由图3中的文件夹列表可以看出其大体框架.

图3 程序编译界面

OSAL中有一个重要的概念——任务（task）.Z－Stack中每一个子系统的运行就是在执行一个OSAL任务，开发者必须至少创建一个用户任务（OSAL任务）.一个OSAL任务除必须事件SYS－EVENT－MSG外最多可定义15个事件.任务和事件均由标识区分，任务标识在对任务进行初始化操作时由OSAL分配，事件标识在头文件中由开发者定义.

2）应用配置文件（Application Profile） 应用程序编写之前需创建相应的ZigBee应用配置文件.配置文件是一种关于消息、消息格式和处理动作的协定，它使得不同设备上的应用根据协定发送命令、请求数据、处理命令／请求，从而实现可互操作的分布式应用.ZigBee配置文件由配置文件标识（Profile ID）惟一确定.

配置文件中需定义：设备描述、簇标识和服务类型.ZigBee设备用描述符对自身进行描述，描述符中的实际数据在设备描述中定义.设备描述符包括节点描述符、节点功率描述符、简单描述符、复杂描述符和用户描述符.簇由簇标识区分，同一个配置文件中的簇标识是惟一的.ZigBee网络中，只有当A设备中某端点的某个输出簇标识与B设备中某端点的某个输入簇标识相匹配时，A与B才能绑定，从而实现信息的交换.

3）用户应用层 该实验通过创建App.h，App.c和OSAL＿App.c来实现用户需求，即图3用户应用层App文件夹中的3个用户程序.

App.h必须明确：（1）应用配置文件的标识；（2）分配给温度传感器的端点（1～240可任选）；（3）应用配置文件中包含的最大簇数和每个簇的簇标识；（4）用户任务中的自定义事件标识等.

App.c创建一个用户任务，除必须事件外，自定义一个用户事件APP＿SEND＿MSG＿EVT.App.c中需构造两个非常重要的函数：App＿Init（任务初始化）和App＿ProcessEvent（任务事件处理）.一旦运行void App＿Init（byte task＿id），OSAL子系统就分配给用户任务一个惟一的用户任务标识（App＿TaskID），图4中箭头所指向的内容就是该函数实现的主要功能.

图4 任务初始化函数流程图

图5 任务事件处理函数流程图

任务事件处理函数App＿ProcessEvent主要实现用户的应用需求，其程序流程如图5所示.a，b，c，d，e指代的内容为必须事件中包含的系统信息，分别是：KEY＿CHANGE（该节点上按键事件发生改变），AF＿DATA＿CONFIRM＿CMD（该节点发送数据后收到确认信息），AF＿INCOMING＿ MSG＿CMD（该节点收到新数据），ZDO＿NEW＿DSTADDR（该节点的ZDO在发送描述符匹配请求后收到响应信息），ZDO＿STATE＿CHANGE（该节点在ZigBee网络中的逻辑类型：协调器、路由器或终端设备是否确定）.当events和应用事件标识相与为真时，即调用应用事件处理函数，该函数实现数据的采集和发送.

OSAL＿App.c根据任务优先级，将与应用程序有关的所有OSAL任务添加到任务列表中.每加入一个任务（调用OSAL子系统的接口函数osalTaskAdd（）），其实质就是完成任务初始化→任务事件的处理.

3.2 ZigBee监测底层网的实验测试

实验测试是在舰船电力推进实验系统中进行，ZigBee节点布置完成后，将ZigBee协调器通过串口与计算机相连，使用串口调试助手软件将采集到的温度进行十六进制显示，以验证网络的畅通和对整流器中二极管的实时监测.

实验中，散热器采用风冷却法，正常工作情况下，其测得的温度介于80～85℃之间（0500H～0550H）.实验结果如表2所列，该温度按照程序设定每隔5s被刷新一次.ZigBee网络中的节点上电以后，即进行网络的组建和地址的分配，经测试，从节点上电到网络成功组建延时不超过2s.

表2 实验结果

4 结束语

实验结果表明：ZigBee具有抗电磁干扰能力，能适应舰船复杂多变的恶劣环境，同时Zig－Bee网状型网络具有很好的自组织、自愈能力.随着ZigBee规范的不断完善和对IPS研究的不断深入，ZigBee技术能够在IPS网络化监测系统的无线底层监测网中发挥越来越重要的作用.

［1］马伟明.舰船动力发展的方向－综合电力系统［J］.海军工程大学学报，2002，14（6）：1－5.

［2］Wang Ning，Zhang Naiqian，Wang Maohua.Wireless sensors in agriculture and food industry－recent development and future perspective［J］.Computers and E－lectronics in Agriculture，2006，50：1－14.

［3］金 纯，罗祖秋，罗 凤.ZigBee技术基础及案例分析［M］.北京：国防工业出版社，2008

［4］瞿 雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［5］侯重远，江汉红，陈少昌.载运平台间基于扇区天线的移动自组织网络研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007，31（6）：1 033－1 036.

［6］SOC降低ZigBee节点成本［DB／OL］.［2010－11－02］.http：／／www.laogu.com／wz＿9700.htm.