ZigBee技术在智能电网系统中的应用研究

3 网络原理及硬件组成

3．1 ZigBee实现电能质量监测的网络组成

ZigBee电能质量检测网络由许多个小型的节点构成。以这些工作节点为依托，通过无线通信组成各种网络托普结构。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上看，它们只是其功能的一个子集，称为RFD(精简功能设备)，这种设备不具有路由的功能；另外还有一些节点负责与控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称为FFD(全功能设备或协调器)。图2示出了一个ZigBee设备在智能电网中建立采集控制网络应用的拓扑示意图。



每个节点由一个具备ZigBee协议栈的MCU作为主控设备。每个信号采集节点通过ADC从模拟传感器得到实时数据，按照ZigBee协议把数据打包并通过射频芯片及前端天线发送给簇内的RFD，再由RFD路由转发到数据中心，以做进一步处理。在每个节点的外部可外接相应的PIO芯片和其他外围电路进行交互。同时，由现场操作人员在控制中心可以对相应节点发出指令，使遥控相应节点按遥控指令做出一些动作，比如紧急合闸、开闸动作等。

3．2 监测节点的硬件原理

实验采用了MoteWork开发平台。该实验模拟在数据中心远端获取母线及变压器测试节点的温度参数，平台的硬件结构如图3所示。



ZigBee测试节点由传感器模块、处理器模块、无线电通信模块和能量供应模块4部分组成。此节点的节点采用一款Atmel公司的AVR系列8位单片机 ATmegal28为处理器芯片。ATmegal28具有如下特点：128 KB系统内可编程FLASH(具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW)，4 KB E2PROM，4 KBSRAM，53个通用I／O口线，32个通用工作寄存器，实时时钟RTC，4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器／计数器(T／C)，2个 USART，面向字节的两线接口TWI，8通道10位ADC(具有可选的可编程增益)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，SPI串行端口，与IEEE 1149．1规范兼容的JTAG测试接口，以及6种可以通过软件选择的省电模式。无线收发模块则采用了TI公司的CCl000通用无线通信模块。

此开发板可外接多种传感器设备，此次实验选用一款高精度温度传感器。

4 软件设计

该系统的软件开发建立在加州大学伯克利分校开发设计的一种新型的嵌入式系统——TinyOS之上。

4．1 TinyOS体系

TinyOS操作系统为用户提供一个良好的用户接口，具有更强的网络处理和资源收集能力。为满足无线传感器网络的要求，在TinyOS中引入4种技术：轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程。整个系统由组件构成，通过组件对硬件进行抽象，提高了软件重用度和兼容性。

TinyOS操作系统及其应用程序使用产生代码相对较小的necC来开发。

4．2 部分程序流程及代码

部分测试设备的启动流程框图如图4所示。



部分程序代码如下：



4．3 测试

(1)测试环境

硬件平台：PC机一台，ZigBee节点5个；
软件平台：PC机操作系统：windows XP SP2；
开发环境：PN2，MoteConfig 2．O，MoteView 1．4B。

(2)数据结果

实验数据如表1所示。



在测试实验中，ZigBee设备展现了良好的数据稳定传输能力和自组网的能力。但是由于参与测试的实验点数较少，还不能够完整进行测试，也还没有完全体现出ZigBee在自组网传输中的优势，对最终现场的运行效果还需要进一步详细验证。

5 结语

目前，智能电网的规划、设计正在稳步进行中。选择构建一个稳定可靠，并且自身功耗低，维护方便的双向数据通信方式将对智能电网的运行效果产生极大的推动作用。具备ZigBee无线传输协议的设备，组成的数据测控网络，由于其设备自身体积小、成本低、高可靠、低功耗、环境适应能力强等诸多优势，将非常适合于在大范围智能电网中的广泛使用推广。并且，无线传输方式省去了有线传输模式下，在恶劣环境中布线和占用空间的困扰。随着更多具有支持ZigBee通信协议的高级计量控制设备研发成功，ZigBee技术将在智能电网运行中发挥举足轻重的作用。