杨芬群，杨前军

(温州大学 物理与电子信息工程学院，浙江 温州325035)

智能电网是世界电网发展的新趋势，国内外均给予了极大关注，这给用户端低压电器提供了一次很好的发展机遇[1]。智能化低压电器在应用中常需要进行电压的采集并实现实时监测，利用有线网络实现电压采集时，存在布线困难等缺点，尤其是在一些原本电线就较多较为复杂的电器中，这种缺点带来的布线困难不言而喻。随着射频技术的发展，无线通信的应用越来越广泛，其中，ZigBee无线技术被应用于农业、家居等领域，获得了较好的效果。利用ZigBee技术实现智能低压电器的电压采集，系统接线简单，相对于传统的布线节省了成本，修改检测节点方便，并且检测节点具备通用性，便于改变检测设备和检测位置。

1 电压采集系统的介绍

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是无线传感网络 （WSN）的一种实现，是一种短距离、低速率无线网络技术，使用全球通用频段 2.4 GHz，数据传输速率为 10 kb/s～250 kb/s，其工作基础是IEEE802.15.4[2]。同样基于该标准的WSN协议还有6LoW-PAN、ISA100、RF4CE等。与这些技术相比，ZigBee技术更简单、实现成本更低，其主要特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[3]。

目前ZigBee的解决方案主要有两种，一种是单片机加上ZigBee射频芯片的组合解决方案，另一种是片上系统SoC（System on Chip）单芯片解决方案。前者能够灵活搭配，后者可以节省整个系统的成本，提高系统的性能。

1.2 电压采集系统的组成

系统包含两类节点：传感器节点（路由设备/终端设备）和汇聚节点（协调器）。前者按照需要安装在指定的位置，负责采集数据并进行预处理，同时还能实现路由功能，转发其他节点的数据包；后者负责网络的建立以及维护，并接收传感器节点发送来的数据包，进行相应处理后通过串口传送给终端并显示。通过终端，用户可以看见每个节点当前采集到的电压数据。整个系统的结构如图1所示，监测区域内布置了一定数量的具有Zig-Bee无线通信功能的传感器节点，这些节点通过自组织方式构成无线网络，通过多跳中继方式将采集到的数据传给汇聚节点，汇聚节点通过串口与终端相连，在终端上显示采集的数据。

2 硬件设计

传感器节点是整个系统的基本单元，硬件选用SoC单芯片解决方案实现ZigBee通信。系统采用的控制芯片是 STM32W108[4]无线射频单片机，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器(MCU)与无线射频结合的SoC，内部既有一般MCU的通用资源和外设，也有特殊的射频模块。由于无线射频的特殊性，本系统未进行专门的STM32W 108硬件设计和2.4 GHz天线设计，而是直接采用上海庆科信息技术有限公司推出的STM32W108应用模块 EMZ3118[5]，如图2所示，该模块带外部射频功率放大器(PA)，最大输出功率为 20 dBm(100 mW)，接收灵敏度为-103 dBm，工作电流分别为190 mA(发射)、41 mA(接 收)、0.82 μA(休 眠)。 采 用 EMZ3118 模块直接进行开发，有利于节约成本与时间。

图1 电压采集系统结构图

图2 STM32W108应用模块EMZ3118

2.1 节点控制电路

从硬件角度看，传感器节点与汇聚节点控制部分的电路相同，如图3所示。电路包括EMZ3118模块、晶振电路、按键电路（RST为强制复位按键，S1为允许/加入网络按键）、LED电路及JTAG电路等。其中ADC为模数转换器接口，RXD、TXD为串口通信发送接收端口。

2.2 传感器节点干电池电路与信号采集电路

传感器节点由两节5号干电池供电，节点还包括电压采集电路，如图4所示。

STM32W108单片机的ADC单端输入范围最大为0～+VDD_PADS（供电电压）。芯片的供电电压为2.1 V～3.6 V，实际采用两节5号干电池供电。为了保护ADC端口，本设计限制ADC端口输入为0～2.1 V。

图3 节点控制电路原理图

图4 干电池电路与电压采集电路

采集电压时，利用电阻分压进行衰减，使得ADC的输入电压在0～2.1 V，同时使用钳位二极管进行保护。这里取 R1为 9 kΩ，R2为 1 kΩ，INPUT端输入电压限制为 0～21 V。

2.3 汇聚节点USB转串口电路与3.3 V稳压电路

汇聚节点主要任务之一是收集传感器节点采集的数据，在测试期间必须处于正常工作状态，其中一个必要的保证就是电源。由于本设计中汇聚节点通过miniUSB接口与终端机相连，故汇聚节点直接从USB端口取电(5 V电压经3.3 V稳压后给单片机供电)，这样就从电源方面保证了汇聚节点的正常工作。汇聚节点利用USB转串口芯片FT232R实现与终端机的通信，如图5所示。

图5 USB转串口电路与3.3 V稳压电路

3 软件设计

传感器节点与汇聚节点的交互过程如图6所示，程序设定汇聚节点每隔60 s发送一次广播寻找新的节点，传感器节点加入网络后每隔20 s给汇聚节点发送一次采集的数据。一旦3次没有正常发送/接收数据，传感器节点会自动断开并寻找新的汇聚节点，并在地址表中删除该节点的信息。

两种节点的主函数流程图相似，如图7所示。

其中，初始化包括硬件初始化、协议栈初始化、初始化是否完成的判断以及打印启动信息等；emberTick()是协议栈的一部分，需要周期性被调用；传感器节点和汇聚节点的applicationTick()函数流程图如图8所示，传感器节点的数据发送在applicationTick()函数中处理，而汇聚节点接收数据在emberIncomingMessageHandler()中处理，该函数被emberTick()调用。

4 测试结果

在实验室常温状态下，对0～21 V的直流电压的采集进行了测试，测试结果如表1所示（MY65数字万用表测得1 kΩ电阻与9 kΩ电阻实际值为0.986 9 kΩ和9.136 kΩ，软件编程计算参数以该数据为准），表中实际值为万用表测得的结果，显示值为终端上显示的数据。

表1 电压采集系统0～21 V测试结果

从表1中可以看出，电压采集的误差较小，误差主要产生在ADC采样和软件计算的过程中。同在常温下，针对12 V电压，对系统测试60 h，表2为部分测试数据。

表2 电压采集系统12 V/60 h测试结果

从表2可以看出，传感器节点采集12 V电压经无线传送给汇聚节点，经60 h测试，误差较小，系统较为稳定。

基于ZigBee技术的电压采集系统中传感器各节点自组织形成无线网络，通过STM32W无线射频ZigBee单片机将采集的电压数据发送给汇聚节点。实验证明，数据误差较小，较为稳定，可移植性强，实现了ZigBee技术在电压采集中的应用。但是本系统测试在实验室进行，仅对0～21 V直流电压进行测试，如果在实际中应用，电压采集部分还需要重新设计以适应更多场合，另外，其稳定性、可靠性还需要进行更加全面的测试。

[1]尹天文，张扬，柴熠.智能电网为低压电器发展带来新机遇[J].低压电器，2010(2)：1-4.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]沈建华，郝立平.STM32W无线射频ZigBee单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4]STMicroelectronics.STM32W108HB STM32W108CB DataSheet[S].http：//www.st.com/mcu，2010.

[5]EMZ3XX8可编程模块数据手册V2[S].http://www.mxchip.com/，2011.