基于ZigBee的电源监控技术

郭成宝

摘 要：现有的通信系统（GSM/CDMA）因为使用便捷，而在电源监控领域中得到了广泛的推广和使用，但是，由于建设移动通信基站系统费用昂贵，而且它的信号只能覆盖在用户较集中的地方，造成许多偏僻、人烟稀少但又需要进行电源监控的站点没法覆盖到，这势必导致监控方式受限。为此，文中提出了一种基于ZigBee技术的电源监控方法。该方法采用ZigBee无线传感网络监控，是一种新兴的低功耗、低复杂度、低数据速率、低成本、小体积、近距离且使用简单的无线技术，它基于IEEE 802.15.4 收发器技术与入 ZigBee 协议栈的组合，可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。而且传感器的功耗非常低，可以用接力的方式把数据从一个传感器传到下一个传感器，因此，这种监控方式高效且实时性强。

关键词：通信系统；电源监控；ZigBee技术；IEEE802.15.4协议

中图分类号：TN86；TP277 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0025-02

0 引 言

《通信电源和空调集中监控系统技术要求》中明确规定：监控系统在结构部署上是一个多级的分布式计算机监控网络，一般可分为三级，即监控中心（SC-Supervision Center）、监控站（SS-Supervision Station）、监控单元（SU- Supervision Unit）。其中SC和SS监控主机为PC机，SU由单片机或监控模块组成。SU有一套设备和环境参量采集器；当警告发生时，SU将信号通过TCP/IP协议发往SC，SC系统通过软件对该信号进行处理，输出相应信息，控制相应动作，同时生成各种统计图表和资料。其监控系统结构如图1所示。

图1 通信电源监控系统结构

通信电源监控系统要求能够对分布在系统的重要设备，包括通信电源、机房空调以及环境设备等都能够进行遥测（YC）、遥信（YX）、遥控（YK）和遥调（YT），达到遥视（YS）目的，既能实时监视和显示其运行参数，又可以自动监测和处理系统内所有设备故障。这种自动化、智能化的管理，可以提高工作效率，实现少人或无人职守，达到降低成本的目的，整个系统在给操作人员提供一个可视化操作环境同时、更能让他感觉友好和方便。

1 传统的监控通信系统

根据图1可以了解到，整个电源监控系统组织结构基本上是由各监控站组成，每一个监控站又由多个监控单元组成，包括UPS电源、空调、油机等多种分散设施组成。能否及时掌握整个监控单元的各种设施的工作状态及采出的数据（主要有温度、电压、电流、压力等），并对它们进行科学的分析，然后及时地将生产调度指令，反馈到监控现场，就直接关系到整个监控系统的可靠性和准确性。

现有的移动通信系统（GSM/CDMA），由于使用简单方便，已在电源监控以及其它各种工业的低数据率监控领域中广泛被采用，在实际中也解决了大量的问题。 然而，由于移动通信它属于固定成本很高、边际成本很低的服务行业这个性质，用户在实际应用中，都普遍存在如下问题：建设移动通信基站费用非常昂贵，而且信号只能覆盖在用户比较密集的地方，如城市、学校、工矿点以及比较密集的居民点等，而许多地段偏远荒凉或人烟稀少的地方却无法覆盖到，轻则仅是一些个别孤立点，严重时会形成一整片，或一整段，形成盲区。解决这些盲点或盲区和现有移动网的通信连接问题，如果采用传统的点对点的方式来与现有网络相连，则每一个盲点，都需要一对无线收发设备才能与移动网相连，这势必会增加系统设备安装和运营维修费用。如何运用先进技术，实现电源维护监控的信息化、自动化，已经成为电信部门日常维护设备、减少停机时间、提高工作效率的必由之路。

2 采用ZigBee技术的电源监控

作为一种新兴的ZigBee技术，使用IEEE 802.15.4协议规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。IEEE 802.15.4总共定义了3个频带：2.4 GHz、915 MHz和868MHz。每个频带提供稳定数量的信道。与蓝牙、Wi-Fi等技术相比，更适合低速率、短距离并且对成本、安全性、动态组网和功耗有特殊要求的节点之间的无线通信。

本文设计的基于ZigBee技术的电源监控系统技术工作于（2.4～2.48 Ghz）ISM免费频段，具有16个扩频通信信道， 传输速率为250 KB，具有数据中转功能、抗干扰力强、网络容量大、自动动态组图、自由路由等特点。

覆盖范围近则几十米，远则能达几公里的效果。而且在非工作模式，ZigBee节点处于休眠状态，耗电仅1 uW， 非常省电。对那些需要覆盖距离短的监控站点，工作模式耗电为30 mW。在使用频率不是很高的场景中，通常两节普通干电池使用寿命可达一年以上。采用新的无线通信技术，并借助程序软件，能把多达65 535个电源监控站相互动态组网联接起来，进行信号传输。每个监控站在整个动态网中作为一个网络节点存在，拥有相应的网络地址，起到数据的收发和中转作用。整个网络可以通过网络中的任何节点，连接于外面的网络系统；并且遵循现有的各种标准通信协议标准。系统安全性非常高，硬件设施支持CRC 和 AES-128，与一般的移动通信网络不同的是，网络中任何节点就都可以看成一个简单的小基站，节点之间可以直接相互通信。节点设备可以随意地加入和退出，是一种自组织和动态配置的组网方式。借助网管软件，能够对整个网络中的任一基站（节点）进行实时监控。当需要传输大负荷的数据时，可以采取增加一些高速率的数据出口节点方式， 组成一种复合网络结构，来减轻整个网络的数据流量；同时还可采取如适当增加节点自身的内存、加大每个节点本身的信号处理能力以及设立适当的网络卸载等措施来减少网络负荷。

ZigBee与其他无线通信方式的对比如表1所列。

3 采用ZigBee监控技术的特性

ZigBee技术的特性包括以下几个方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于数据低速率传输场景；

（2）低功耗：其工作功耗远小于Wi-Fi的工作功耗，休眠状态，耗电仅1 uW， 非常省电；

（3）低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee 协议免收专利费。

（4）抗干扰性强：在低信噪比的环境下，ZigBee具有很强的抗干扰性能；在相同的环境中，ZiBbee抗干扰性能远远好于蓝牙和Wi-Fi；

（5）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持65535个设备；

（6）时延短：一般时延都在15 ms至30 ms之间；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供设备之间的安全连接；

（8）有效范围灵活、布网容易：ZigBee网络有效覆盖范围从标准的75米，到几千米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。另外，通过ZigBee无线路由器极大降低了ZigBee网络布网及调试的难度和时间，并消除了无线通信死角。

4 典型应用

ZigBee技术可能用于几乎所有行业的低速率、短距离无线通信场景，随着科技的发展，不断被应用于智能家居、消费电子设备、工业控制装置、智能交通、智能建筑、农业自动化、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。

在一些危险领域，例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护，都逐渐采用ZigBee网络技术，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

5 结 语

基于ZigBee电源监控技术，具有数据传输可靠、组网灵活简单、操作方便、成本低等特点。本系统能够对通信电源各个节点进行实时数据采集，并传给操作用户，采用这种方式的进行电源监控以良好的可扩展性、不受地理位置限制等优势，具有一定的应用价值。

参 考 文 献

[1] 陈国绍，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚环境监测系统设计[J].物联网技术，2013（10）：16-18.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4TM-2006 [s]. New York： IEEE， 2006.

[3] 牟连佳，牟连泳.无线传感网络及其在工业领域应用研究[J].工业控制计算机，2005，18（1）：3-5.

[4] 郑霖，曾志民，万济萍，等. 基于IEEE802.15.4 标准的无线传感器网络[J].传感器技术，2005.24（7）：86-88.

[5] 贾继伟，蔡仁治，杜珉，等.通信电源的科学管理与集中监控[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[6] Chipcon AS. SmartRF CC2420 preliminary datasheet （rev1.2） [M]. Norway： Chipcon AS， 2004.

[7] YDN023-1996.通信电源和空调集中监控系统技术要求及通信协议[S].1996.

ZigBee技术的特性包括以下几个方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于数据低速率传输场景；

（2）低功耗：其工作功耗远小于Wi-Fi的工作功耗，休眠状态，耗电仅1 uW， 非常省电；

（3）低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee 协议免收专利费。

（4）抗干扰性强：在低信噪比的环境下，ZigBee具有很强的抗干扰性能；在相同的环境中，ZiBbee抗干扰性能远远好于蓝牙和Wi-Fi；

（5）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持65535个设备；

（6）时延短：一般时延都在15 ms至30 ms之间；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供设备之间的安全连接；

（8）有效范围灵活、布网容易：ZigBee网络有效覆盖范围从标准的75米，到几千米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。另外，通过ZigBee无线路由器极大降低了ZigBee网络布网及调试的难度和时间，并消除了无线通信死角。

4 典型应用

ZigBee技术可能用于几乎所有行业的低速率、短距离无线通信场景，随着科技的发展，不断被应用于智能家居、消费电子设备、工业控制装置、智能交通、智能建筑、农业自动化、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。

在一些危险领域，例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护，都逐渐采用ZigBee网络技术，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

5 结 语

基于ZigBee电源监控技术，具有数据传输可靠、组网灵活简单、操作方便、成本低等特点。本系统能够对通信电源各个节点进行实时数据采集，并传给操作用户，采用这种方式的进行电源监控以良好的可扩展性、不受地理位置限制等优势，具有一定的应用价值。

参 考 文 献

[1] 陈国绍，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚环境监测系统设计[J].物联网技术，2013（10）：16-18.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4TM-2006 [s]. New York： IEEE， 2006.

[3] 牟连佳，牟连泳.无线传感网络及其在工业领域应用研究[J].工业控制计算机，2005，18（1）：3-5.

[4] 郑霖，曾志民，万济萍，等. 基于IEEE802.15.4 标准的无线传感器网络[J].传感器技术，2005.24（7）：86-88.

[5] 贾继伟，蔡仁治，杜珉，等.通信电源的科学管理与集中监控[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[6] Chipcon AS. SmartRF CC2420 preliminary datasheet （rev1.2） [M]. Norway： Chipcon AS， 2004.

[7] YDN023-1996.通信电源和空调集中监控系统技术要求及通信协议[S].1996.

ZigBee技术的特性包括以下几个方面：

（1）低速率：最大是250 KB/s，主要用于数据低速率传输场景；

（2）低功耗：其工作功耗远小于Wi-Fi的工作功耗，休眠状态，耗电仅1 uW， 非常省电；

（3）低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee 协议免收专利费。

（4）抗干扰性强：在低信噪比的环境下，ZigBee具有很强的抗干扰性能；在相同的环境中，ZiBbee抗干扰性能远远好于蓝牙和Wi-Fi；

（5）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持65535个设备；

（6）时延短：一般时延都在15 ms至30 ms之间；

（7）安全可靠：128位AES加密 – 提供设备之间的安全连接；

（8）有效范围灵活、布网容易：ZigBee网络有效覆盖范围从标准的75米，到几千米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。另外，通过ZigBee无线路由器极大降低了ZigBee网络布网及调试的难度和时间，并消除了无线通信死角。

4 典型应用

ZigBee技术可能用于几乎所有行业的低速率、短距离无线通信场景，随着科技的发展，不断被应用于智能家居、消费电子设备、工业控制装置、智能交通、智能建筑、农业自动化、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。

在一些危险领域，例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护，都逐渐采用ZigBee网络技术，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

5 结 语

基于ZigBee电源监控技术，具有数据传输可靠、组网灵活简单、操作方便、成本低等特点。本系统能够对通信电源各个节点进行实时数据采集，并传给操作用户，采用这种方式的进行电源监控以良好的可扩展性、不受地理位置限制等优势，具有一定的应用价值。

参 考 文 献

[1] 陈国绍，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚环境监测系统设计[J].物联网技术，2013（10）：16-18.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4TM-2006 [s]. New York： IEEE， 2006.

[3] 牟连佳，牟连泳.无线传感网络及其在工业领域应用研究[J].工业控制计算机，2005，18（1）：3-5.

[4] 郑霖，曾志民，万济萍，等. 基于IEEE802.15.4 标准的无线传感器网络[J].传感器技术，2005.24（7）：86-88.

[5] 贾继伟，蔡仁治，杜珉，等.通信电源的科学管理与集中监控[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[6] Chipcon AS. SmartRF CC2420 preliminary datasheet （rev1.2） [M]. Norway： Chipcon AS， 2004.

[7] YDN023-1996.通信电源和空调集中监控系统技术要求及通信协议[S].1996.