MRF24J40的ZigBee網(wǎng)絡分析及在電氣監(jiān)測中的應用

摘要：對于電力系統(tǒng)，在線監(jiān)測的困難在于絕緣和強電磁噪聲。ZigBee無線通信技術為電氣監(jiān)測提供了新思路。根據(jù)協(xié)議棧應用層的工作原理構造相應的原語結構，實現(xiàn)協(xié)調器網(wǎng)絡建立和終端設備的網(wǎng)絡連接。協(xié)調器建立的終端設備綁定表，能夠間接地將收發(fā)設備聯(lián)系在一起。在通過ZENA網(wǎng)絡分析儀器的綁定測試和電壓有效值、頻率采樣電路proteus仿真后，將硬件電路與ZigBee網(wǎng)絡結合起來，實現(xiàn)了電氣參數(shù)的在線監(jiān)測。
關鍵詞：ZigBee；MRF24J40；綁定；無線監(jiān)測

引言
    ZigBee是一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術。ZigBee的組網(wǎng)能力強，廣泛應用于無線傳感網(wǎng)、嵌入式的自動控制和遠程控制領域。ZigBee的協(xié)議棧由一組子層構成，由下至上依次是物理層、介質接人控制子層(MAC)、網(wǎng)絡層、應用層，并與單片機配合完成數(shù)據(jù)包裝收發(fā)、校驗、各種網(wǎng)絡拓撲、路由計算等復雜功能。
    隨著用戶對電器智能化的要求越來越高，ZigBee技術需要傳輸更多的電氣參量和現(xiàn)場參量，其中電壓有效值和頻率是確保電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要參數(shù)。有線傳輸布線麻煩，會使電器結構復雜、成本增加、使用不方便，而采用ZigBee技術能夠很好地解決這方面問題。
    本文以Microchip公司的PIC18LF4620為核心，硬件收發(fā)電路采用MRF24J40芯片，結合ZENA網(wǎng)絡分析儀器對ZigBee設備間的綁定和數(shù)據(jù)請求進行監(jiān)控，測試終端將電氣參數(shù)發(fā)往其他設備。

1 ZigBee協(xié)議棧結構和原理
    ZigBee協(xié)議棧的分層結構中，最下面的兩層是介質接入控制子層(MAC)和物理層，這兩層是由IEEE 802．15．4定義的，而上面的網(wǎng)絡層和應用層才是由ZigBee聯(lián)盟定義的。網(wǎng)絡層(NWK)負責設備到設備的通信，并負責網(wǎng)絡中設備初始化、消息路由和網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)；而應用支持子層(APS)可使用NWK提供的服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和安全等服務。此外應用層還可以通過ZigBee設備對象(ZDO)進行網(wǎng)絡層配置和訪問，提供設備發(fā)現(xiàn)、服務發(fā)現(xiàn)和綁定管理服務。用戶程序則通過240個端點與APS對接，實現(xiàn)用戶功能。實現(xiàn)ZigBee任務的關鍵就是在應用層或者ZDO層中配置原語，單片機的任務就是不斷地執(zhí)行各種ZigBee協(xié)議棧任務。

2 ZigBee硬件和軟件設計
2．1 ZigBee硬件設計
    ZigBee相關的硬件設計包括兩方面：一是以MRF24J40和PIC18LF4620為核心的射頻電路；二是提供ZigBee網(wǎng)絡分析的ZENA電路板。
    MRF24J40的硬件電路包含去耦電路、平衡-不平衡變換電路和時鐘振蕩電路。與單片機相連的則是4線的串行SPI接口，它有中斷、喚醒和復位功能。用戶應用程序通過端點服務接口傳到APS，再依次往下傳至物理層，最后通過SPI控制MRF24J40將數(shù)據(jù)通過天線以電磁波形式發(fā)送出去，接收方的天線收到數(shù)據(jù)后則將數(shù)據(jù)逐層向上傳遞，請求應用層處理。在進行組網(wǎng)時至少需要3個這樣的最小系統(tǒng)板，其中一個作為協(xié)調器，另兩個作為終端設備或路由器。
    ZENA電路板的核心是PIC18LF2550和MRF24J40，MRF24J40用于接收空氣中的電磁波并傳給單片機處理，最終通過USB傳輸?shù)接嬎銠C中。而ZENA網(wǎng)絡監(jiān)視窗口就是該USB對接的界面，這樣通過天線接收到的數(shù)據(jù)被還原成幀的形式顯示出來，由此就可以判斷ZigBee設備發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。
2．2 ZigBee軟件設計
    ZigBee協(xié)議棧是通過下層的服務完成自己的功能，同時對上層提供服務。網(wǎng)絡通信是在對等的層次上進行的，而這些服務是設備中的實體通過發(fā)送服務原語來實現(xiàn)的。原語中又包含很多參數(shù)，構造應用層的程序其實也就是對該服務相關的原語參數(shù)進行賦值。綁定的原語為：
APSME-BIND．request{SrcAddr，SrcEndpoint，Clusterld，DstAddrMode，DstAddr，DstEndpoint}。
    該原語最前面的APSME表示這是一個APS服務原語，因此在執(zhí)行ZigBee任務時將被送到APS．c文件執(zhí)行。原語里的參數(shù)依次表示發(fā)送該原語設備的源地址、哪個端點發(fā)送該原語的、哪個簇標識符與目的設備綁定、目的地址模式是64位物理地址還是16位網(wǎng)絡短地址、目的設備的地址值，以及將被送到目的設備的哪個端點執(zhí)行。因此要向某設備發(fā)送綁定請求，首先要定義好使用哪個端點和簇ID來執(zhí)行，并且要知道自己和對方的地址，對各參數(shù)賦值完畢后就令currentPremitive=APSME_BIND_request，設備就成功發(fā)送綁定請求了，并等待后續(xù)響應。

3 電壓采樣電路和測頻電路
    由于電力線路是高電壓的交流電，而PIC18LF4620只能采樣小于3．3 V的直流電壓，因此線路的電壓都要經(jīng)過變壓器或互感器降壓后再經(jīng)過絕對值線路整流。本文選用電流型的精密微型電壓互感器HPT304，互感器應用電路如圖1所示。通過運算放大器輸出，二次負載基本為0。被測的輸入電壓VIN通過限流電阻RIN限流，產(chǎn)生的0～2 mA電流通過微型電壓互感器。HPT304感應出相同的0～2 mA。通過運算放大器可以調節(jié)反饋電阻R值在輸出端得到所要求的電壓輸出，而電容C及電阻r是用來補償相位差的。限流電阻RIN要有足夠大的功率。

    絕對值線路的作用是將交流變成直流，線路簡單、容易實現(xiàn)。絕對值線路和絕對值線路仿真波形如圖2和圖3所示。圖2放大倍數(shù)是R2／R1 =5，選用的兩個運算放大器最好是同在一個芯片上，這樣出來的半波才會對稱。

    用單片機算出交流電壓的有效值，也必須先測出交流電壓的頻率，再根據(jù)頻率確定每一個點的采樣周期。這樣計算的有效值才不會隨頻率的變化而變化。測頻電路和測頻電路輸出波形如圖4和圖5所示。

    電壓有效值表達式為：
   
    式中：N為每個電源周期采樣點數(shù)，uk為電壓第k點的采樣值。本文N為64。輸入波形與采樣脈沖如圖6所示。

4 測試結果
    本文的綁定實驗采用間接綁定的方法，即由協(xié)調器來建立綁定表，兩終端節(jié)點分別向協(xié)調器請求綁定。請求綁定的終端設備要給協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，不過請求的簇為0x20，且端點為ZDO(0x00)，因此該請求到達協(xié)調器后會進入ZDO處理綁定請求任務。從節(jié)點綁定的ZENA分析圖可以看到，應用層最后面的AF數(shù)據(jù)幀包含了終端節(jié)點請求綁定的所有信息，如果兩設備的輸入簇和輸出簇對應，模板標識符也一樣，就能在協(xié)調器中建立綁定表。這里的輸入簇和輸出簇都是Test模板的緩沖請求簇(0x1C)。需要說明的是，當兩個終端設備分別向協(xié)調器請求綁定后，協(xié)調器還要分別發(fā)送UnBind_req和Bind_req給各終端，并根據(jù)給出的響應設置標志位，當所有的工作完成后才能給請求綁定的設備發(fā)送簇(ID為end_device_bind_rsp)完成綁定。由于篇幅所限這里直接給出綁定的結果，協(xié)調器串口輸出如圖7所示。

    綁定成功后，終端設備只需標明簇標識符就可以將數(shù)據(jù)通過協(xié)調器發(fā)送給綁定表中對應輸入簇的設備。協(xié)調器收到終端采樣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為電網(wǎng)頻率和有效值，在下一個工作周期內，協(xié)調器就會將數(shù)據(jù)根據(jù)綁定表傳遞給目的設備，目的設備收到數(shù)據(jù)后就能進行分析和處理，實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控。值得一提的是，由于ZigBee協(xié)議棧本身的限制，數(shù)據(jù)最快也只能0．5s更新一次。

結語
    本文組建了ZigBee無線網(wǎng)絡，并由協(xié)調器統(tǒng)一管理綁定表，實現(xiàn)了電壓有效值和頻率的遠程監(jiān)控，經(jīng)過ZENA分析測試，網(wǎng)絡運行穩(wěn)定。以PIC18LF4620為核心的單片機系統(tǒng)功能強大、性價比高，適合用于電氣監(jiān)測系統(tǒng)。
    本文的創(chuàng)新點在于深入分析協(xié)議棧應用層原理，提供了使用Microchip ZigBee協(xié)議棧進行網(wǎng)絡綁定的方法，并將電氣在線監(jiān)測和無線網(wǎng)絡結合在一起，具有一定的推廣應用價值。