ZigBee在电力系统温度测量中的应用

无线温度传感器节点的工作参数（发射频率、发射功率、采样间隔）事先通过拨码开关，在安装前设定好，使用过程中无法通过无线方式修改参数。无线温度传感器节点与 ZigBee网络管理器间的通信，无线温度传感器节点发送的无线数据包格式：开始标志 STX(AAH)；传感器编号 ID（4Byte）；温度数据：温度数据 Temp占 2个字节，其最高位（ D15）表示正负（0-正，1-负）；状态字节：从采集器发往接收终端的状态字节的含义（D7C故障标志： D7=1表示有故障，这时 D6~D0为故障码（ >1）；D7=0表示无故障，这时： D4~D3C采样间隔，00-1秒，01--30秒，10-2分钟， 11-10分钟； D2C发射功率， 0-低，1-高；D1D0C电池电量，00-无，01-低，10-中，11-高。校验码 CRC8（1Byte）；结束标志 ETX（55H）4 关键技术
4.1系统网络设计
ZigBee网络有三种网络拓朴结构 [4]：星型、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000个节点的大网。
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。ZigBee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 ZigBee协调器（主节点）与 ZigBee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。

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应用中得到了良好的效果。
4.2可靠性设计
在该系统中温度传感器节点与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协议栈应用层数据服务接口，便可将温度数据传输到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。

无线温度传感器节点和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测量，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。