基于无线传感网的通信网络电源控制系统设计

贺喜玲

(郑州轻工业学院轻工职业学院计算机系，河南郑州450000)

基于无线传感网的通信网络电源控制系统设计

贺喜玲

(郑州轻工业学院轻工职业学院计算机系，河南郑州450000)

利用TI公司的低功耗ZigBee网络收发芯片CC2531，构建了基于IEEE802.15.4协议的通信网络电源控制系统。该系统以无线传感网为底层通信主体，以各种传感器为数据采集的载体，形成了自下而上的电源控制体系，保证了系统运行的可靠性。运行结果证明，该方案ZigBee芯片所具有的休眠功能极大地降低了系统的损耗，形成了控制灵活、成本低、功耗小的运行特征。

通信网络；电源系统；在线监测；无线传感网

无线传感网(wireless sensor networ，WSN)是一种新型的网络构建体系，集信息采集、处理、无线传输于一体，具有构建灵活、运行可靠、经济可行的基本运行特征。它的出现给人类的生产和生活带来了深远的影响。在环境监控、电气控制、国防军事、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景[1]。

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低成本、低速率的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的方案[2]。ZigBee技术工作在 2.4 GHz免费频带范围内，基础为IEEE802.15.4标准，可以在数千个微小的传感器之间相互协调地通信，而每个传感器只需很少的能量，就可以以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点，具有结构灵活、安全可靠性高及能量消耗低的优点。

目前，ZigBee是发展最快、市场应用非常广泛的短距离通信技术之一。在工业控制、楼宇智能化、电子消费、医疗控制等多个领域具有比较成熟的产品。本文借助ZigBee技术，设计了基于IEEE802.15.4标准的无线传感网络，以通信网络中分布式电源为监控的主体，形成了自下而上的控制体系。

1 系统总体设计

为了适应监测的功能需求，系统采取四层的总体结构，这四层分别为数据采集及控制层、通信层、数据存储及表现层和客户应用层。数据采集及控制层，由各种传感器、控制执行机构组成，主要实现通信网络中电源运行状态数据的采集和控制命令的执行；通信层是底层采集数据向上传送的通道，核心部件是一个嵌入式芯片或现场PC机构成的网关，使底层的数据通信与公共传输网相连接。当使用现场PC机时，可以在这一层加设一定规模的数据库，以完成现场数据的存储和处理功能，从而达到加速现场控制的目的；数据存储及表现层的核心部件是服务器，是整个系统数据处理的中心，也是控制命令的转发重地。服务器内设置专门用于实现数据存储和处理的数据库，内存电源的运行标准数据、阈值数据、分布式通信电源网络拓扑结构、蓄电池液位标准参数值等，这些数据是电源运行时的正常值及阈值范围，用来与上传的参数值进行对比分析，以确定电源的运行状态。同时在数据库中还要存放相应的历史数据和统计数据，以便更为灵活地掌握电源设备的运行状态；表现层的含义是利用模块化程序设计的思想，将数据库的内容用程序的方式在服务器中体现，为了实现简单方便的客户应用层，本设计在该模块中特别增加了设备状态计算分析、故障预警及诊断、电源分布拓扑计算等功能，并且将这些功能利用WEB组件实现了与客户应用层的接口；系统的最上一层为客户应用层，设计采用B/S结构，利用基于J2EE分布式多层应用构架技术形成Web应用平台，实现了随时随地与客户交互，接收、显示来自服务器的计算结果，及提交用户控制命令的动态效果。整个结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 底层通信网络及传感器设计

2.1 底层通信网络构建

信息的获取是监控的第一步，是信息传输、处理和应用的基础环节。在本设计中，采用无线传感网来实现信息的获取过程。无线传感网(WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象信息的实时监测、感知和采集。这些信息通过各种无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通[3]。

在本设计中，所采用的无线传感网的基本体系结构如图2所示。底层数据采集部分由传感器节点群来构成，每一个传感器节点由一个微型的嵌入式系统构成，本设计中采用ZigBee节点CC2530来构成，中间的Sink节点采用能量较强的嵌入式节点，作为整个传感器的汇聚节点。

图2 无线传感网体系结构

2.2 传感器选择分析

在自动化控制领域，系统运行过程的自动监测，需要用到各种具有不同功能的传感器，因此传感器是自动控制系统的关键性基础器件，直接影响到自动化技术的质量和水平。在一个通信网络电源的监控过程中，需要对电源本身的电压、电流、温度、液位等参数进行监视，同时还要对环境的温度、湿度、烟雾、门禁情况进行异常报警，因此，传感器的选择是一个系统成败的关键。

在本设计中，由于电源运行时主要参数是电流和电压，因此，本设计主要分析电流与电压传感器的选择。

19世纪，美国物理学家霍尔发现了金属中所具有的霍尔效应。随着半导体技术的成熟，这种效应在半导体中展现出更为直观的表现。因此，以霍尔效应为依托的半导体器件成为传感器家族中很重要的一员。

根据电磁感应原理，将通电的导体或半导体放在磁场中时，当电流方向与磁场方向垂直时，在导体的另外两侧会产生感应电动势，这种现象可以用式(1)来表示。

霍尔元件具有体积小、外围电路简单、动态特性好、灵敏度高、频带宽等优点。从式(1)中可以看出，当霍尔元件确定之后，就成为定值，因此，当磁场强度不变时，传感器输出正比于激励的电流，这样就可以实现与电流有关的物理量的测量，例如电流或电压。在本设计中，电源系统的电流和电压等参数值就是通过霍尔电流/电压传感器来测量。

在终端节点上，利用CC2530的连续模/数转换能力获取随时间变化的采样电压或电流值，采样结果一方面通过DMA传输，一方面利用LCD进行显示。而ADC的连续采样主要是通过ADCCFG、ADCCON2和ADCCON1寄存器完成输出电压或电流的采样工作。具体过程为首先设置DMA，并将DMA通道0作为数据传输通道，然后设置定时器1作为ADC连续采样的触发事件，从信道7进行ADC连续采样。具体代码为：

为了提高采样的精确度，节点还选用了 ADC_SEQUENCE_SETUP和ADC_TRIGGER_FORM来实现具体的采样过程。

CC2530具有4种不同的功耗模式：PM0、PM1、PM2、PM3，其中PM0为全功能运行模式，功耗较高，PM3为休眠模式，功耗很低。在运行过程中，CC2530会根据晶振的工作状态来决定工作模式，从而实现了运行过程的低功耗。

3 总结

本文较为详尽地阐述了通信网络电源控制系统的整体结构，重点分析了底层数据采集的构建过程。整个底层数据采集层由无线传感网来组成，核心通信技术采用ZigBee，组成短距离多跳自组织数据传输网络。电源电压与电流采用霍尔电压或电流传感器来实现，并利用CC2530中的DMA实现数据的连续采样及上传功能。

[1]韩磊，曹欲晓，田丽鸿.无线传感网的一种邻居搜索方法[J].计算机技术与应用，2011(3)：60-62.

[2]杨峰，孙玲玲，汪大卓.一种基于无线传感网的呼叫服务系统设计[J].杭州电子科技大学学报，2009(10)：23-25.

[3]高守玮.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，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

贺喜玲(1981—)，女，河南省人，硕士，讲师，主要研究方向为计算机网络技术。