基于ZigBee技术的电压采集系统的设计与实现

摘  要： 关键词： ZigBee；无线；STM32W；电压采集
       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ZigBee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STM32W108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 ?滋A(休眠)。采用EMZ3118模块直接进行开发，有利于节约成本与时间。
   
   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。
     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。