【基于ZigBee无线传感技术的变压器监测系统设计与测试分析9200字】

基于ZigBee无线传感技术的变压器监测系统设计与测试分基于ZigBee无线传感技术的变压器监测系统设计与测试分析 1 21.1无线传感及联网整体结构 2 2 1.2.4机智云接入流程 4 4 41.3.2物联网平台硬件电路设计 61.4软件程序设计 8 81.4.2物联网平台MCU软件程序设计 2.1高压侧供电电源验证 2.1.1实验设备及过程 2.1.2实验数据及分析 2.2基于光纤传输的多路AD转换器验证 2.2.1FPGA测量模块实验 222采样传输实验 202.3无线传输及物联网验证 222.3.1实验设备及过程 22232实验数据及分析 21ZigBee无线传感网络及物联网平台ZigBee协调器节点承担着构建和管理网络的任务，在协调器建网之后，其他设备接入网络，由此构成一个网状拓扑结构的无线传感器网络。ZigBee终端节点作为传输网络最底层的信息采集单元，通过串口接收来自多路AD转换器的终端FPGA输出的数据，通过RF射频模块将数据以电磁波的形式直接发送给协调器节点或通过路由器节点转发给协调器节点。数据经过ZigBee无线传感系统进行无线传输后，汇聚到ZigBee协调器节点，而后协调器节点将数据通过串□发送到STM32控制器进行信息处理。由第四章可知，在数据传递过程中一直以40位帧形式进行传输，STM32控制器根据帧尾的分隔符以及帧头的序号对其进行分类，而后根据第四章得到的频率与传感器输出电流的关系，计算得到对应电流。STM32控制器对数据处理完毕后，通过已烧录GAgent固件的ESP8266模块入网，按照机智云通信协议通过互联网完成与云端和手机APP的信息交互。由于无线传感网络技术有效克服了传统有线网络的成本高、布线难、体积大在目前常用的短距离无线通信技术中，ZigBee相较于其他短距离无线通信(1)功耗小：在低功耗模式下，两节干电池能够使用6个月以上(2)成本低：便于广泛应用(3)容量大：网络可连接成千上万的设备(4)可靠、安全：传输稳定性高，采用加密算法，安全性高(5)自组织、自愈能力强：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的应用层网络层IEEE802.15.4MAC层868915MHzPHY层2400MHzPHY层1.2.3机智云简介物联网是信息科技技术的又一次革命性浪潮，尤其近几年来，包括传感器、1.2.4机智云接入流程1)创建产品数据点来描述其功能，例如设定LED灯开关，采用数据点格式为布尔值，1和02)下载生成协议能开发。论文采用独立MCU方案，硬件平台选择STM32F103系列，在下载机3)设备接入MCU想要接入机智云智能硬件开发平台，首先要具备联网的功能。如步骤 (1)所述，论文通过MCU加WIFI模块的方式实现入网，选择经济高效的WIFISOC模块ESP8266。ESP8266模块本身带有AT固件，可通过AT指令进行控制，但为了更好的统GAgent,通过GAgent完成与云端、应用端的信息交互。1.3.1ZigBee硬件电路设计ZigBee节点硬件上的结构是相同的，这里，对节点的几处重点电路进行介1)CC2530芯片CC2530是由TI公司研发的集增强型8051CPU和射频收发模块于一体、支CC2530通过内部集成的2.4GHz的无线射频收发器来进行无线传输，传输速率可达250kbps。发送时通过调制器将数据转换成I/Q信号发送到DAC,而后此外，CC2530还具备AES加密/解密内核，能够对数据进行128位的AES2)电源模块性稳压芯片AMS1117,将5.5V电压进行降压得到3.3V电压。w-SPDT24±33)巴伦电路CC2530的射频输入输出引脚RF_P和专专2RF_N从RF_P和RF_N出来的信号经过电容C10和C12后，通过L2、C9、C13和L3将差分信号转化为单端信号，经过电容C11滤波后，传输给天线。1.3.2物联网平台硬件电路设计1)STM32F103ZET6芯片互。考虑到系统的特点及实用性，MCU芯片采用ST公司的STM32F103ZET6STM32系列芯片性价比极高，几乎是以8位机的价格实现32位机的功能，控制器等丰富的功能。此外，芯片具有84个中断、16个可编程优先级，拥有优TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器，能有效地克服非选通时的串扰，大大提高了图像质量。本文选用2.8英寸屏幕，支持16位真彩显示，具有320×240 DB5DB7FSMCDI1246813579STM32的FSMC接口来控制TFTLCD,TFTLCD的片选信号CS连接FSMC_NE4,其实就是将TFTLCD当成SRAM来控制。两者外部连接如读、写信号、数据线等都一致，唯一不同的是TFTLCD有数据和命令的切换信号(RS信号)。RS信号决定传输的是数据还是命令，可将其作为地址线将其连接在FSMC_A10上面，若FSMC写地址0,对TFTLCD就是写命令。3)ESP8266WIFI模块137R5786ATK-ESP8266工作方式多样，可方便快捷的实现单片机等硬件设备与互联网的信息交互。该模块与单片机之间通过串口进行连接，且内部含有传输控制/1.4软件程序设计ZigBee协议本质是节点间进行无线传输的规范，而协议栈则可看作协议与用户之间的接口，是协议的实际应用方式，协议栈将各个层的协议以函数的形式集中到一起，用户可以在应用层直接调用。本文采用TI公司的Z-stack协议栈，通过IAR软件开发环境进行开发。1)Z-stack协议栈工作流程Z-stack协议栈工作流程大致可分为三个阶段：系统初始化、OSAL初始化和OSAL任务轮询。(1)系统初始化系统上电后，首先执行Zmain.c中的main主函数进行一系列初始化，例如：Z-stack协议栈集成了各个层的协议，其用户应用层包含了多达240个应用对象，OSAL操作系统抽象层是对不同任务进行管理、分配的一种协调机制。如图5-9所示，OSAL采用基于事件优先级的轮转查询机制进行运作，而想要参与到这种轮询机制中，任务函数必须在OSAL初始化函数osal_init_system()中进行任务初始化，获取相应的TaskID。有事件Y是否结(3)OSAL任务轮询ID与任务事件建立映射关系，在轮询过程中，系统不断查询tasksEvents[]数组。处理函数表tasksArr[]中对应的任务事件处理函数进行处理[43。2)终端节点程序设计在协调器建网之后，终端节点通过NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语发起加入网络的进程，网络层接收到这个原语后请求MAC层执行主动扫描或被动扫描以接收协调器发出的包含了PAN标志符的信标帧。MAC层扫描完成后，将扫描中接收到的信标帧信息发送到网络层，检查该帧协议ID是否为ZigBeeID。若是则将其加入到关联表中，而后应用层决定继续扫描还是将其作为父节点，若将其作为父节点则网络层发送一个加入网络的请求到MAC层，请求通过该节点入网。父节点接收到请求后，判断其关联表中是否包含该子节点64位地址，若不包含且有剩余地址空间则为其分配16位网络地址并将其加入关联表中。子节点接收到连接成功消息后，MAC层将16地址通知网络层，网络层设置关联表中相应设备为父节点。本文所设计节点较少，为减少网络拥塞，所以节点之间的通信方式选择点播方式。子节点入网后，网络状态改变，产生任务事件标志，从而执行调用SelApp_DeviceConnect()向父节点上传自己短地址。N开始开始YY在OSAL任务轮询过程中，在执行osal_run_system()函数循环时，循环执行Hal_ProcessPoll()函数，通过其中的HalUARTPoll()函数对接收缓冲区rxBuf[]状态进行判断，并产生相应的任务事件标志，调用串□回调函数SelApp_Call1Back()中的SelApp_Send()函数将接收到的串□数据发送出去。SelApp_Send()函数进行无线发送时，同时调用osal_start_timerEx()函数开启定时，在定时时间到之前若收到协调器节点的回复成功或数据重复，表明发送完成，则调用osal_stop_timerEx()函数停止计时。否则，该函数自动生成任务事件标志SELAPP_SEND_EVT,重新调用SelApp_Send()函数进行无线发送。在SelApp_Send()函数中，TxLen表示发送数据的长度，每次读取串□数据前首先判断TxLen是否为0,若为0,表明上次发送完成，可读取，否则，不能读取。在接收到数据第一次进行发送时TxLen为0,而后通过TxLen=HalUARTRead()函数，将缓冲区数据长度加1赋给TxLen,数据赋给TxBuf[],令TxBuf[0]等于发送数据的序号，调用射频发射函数AF_DataRequest()进行发送。当本次发送已完成时则将TxLen置0,而未完成时，当定时时间到再次调用SelApp_Send(),由于未完成发送TxLen未清0,发送的数据内容和序号不变。3)协调器节点程序设计协调器节点的软件设计流程图如图5-12所示。Y串口输出YNN协调器节点在组建网络之前，判断是否已经存在网络，进行主动扫描，发送信标求命令，若在扫描期限内没有检测到信标则可以组建网络。组网开始后，首先进行信道能量扫描，根据能量值对信道进行排序，选择可允许能量值得信道并标注为可用的信道，而后进行主动扫描，搜寻通信半径内的网络信息，选择最安静的信道作为通信信道。协调器确定信道后，网络层为新建网络选定合适的网络标识符PANID,在网络参数设置完毕后，网络层通知MAC层启动并运行新网络，等待其他节点的接入。具体接入过程上文已介绍过，不再赘述。协调器节点收到终端节点发送的无线数据后，产生相应的任务事件标志，调用SelApp_ProcessMSGCmd()函数对数据包进行处理。首先对数据包的序列号进行判断，若是大于上次接收的数据包序号，为最新的数据包，否则，为重复数据包，标志位置为重复状态。若为新数据包，通过串口传输到STM32处理器中，若串□发送成功，标志位为接收成功，若串1.4.2物联网平台MCU软件程序设计GAgent是机智云为硬件接入提供的运行于通信模组的嵌入式固件系统，通过GAgent即可完成硬件设备与云端、应用端的信息交互，而在MCU端还需进行协议解析与外设控制的开发。论文采用KEIL公司的uVision5IDE集成开发环1)代码结构配置入网抓包协议处理上报逻辑采集数据保存数据采集(上行)事件处理接收中断发送接口亳秒中断数据写入动作执行(下行)数据上报缓冲区解析串口在完成对系统时钟、所用LCD等外部设备和机智云通信协议系统的初始化WIFI模块将接收到的数据以机智云协议规定帧格式通过串□传输到控制器2)配置入网一个基于WIFI的物联网设备配置连接路由器首先要知道路由器的账号和密码，而模块本身不带键盘和屏幕，因此需要通过手机APP向设备发送路由器的SSID和密码。GAgent提供了AirLink和SoftAP两种方式配置入网，具体通过哪论文通过AirLink模式采用广播的方式进行入网，具体过程如图5-14所示。收到SSID、密码图5-14AirLink配置入网流程用户通过手机上的机智云APP连接路由器并不断广播所连接路由器的账号和密码，当WIFI模块通过按键确定AirLink入网模式后就可以接收APP生成的在WIFI模块成功接入网络后，它会返回WIFI状态事件，在main.c文件中3)数据处理与上传述格式。由前文可知，一台变压器经过多路AD转换后通过一个ZigBee终端节点进行频率采集而后通过无线传输到ZigBee协调器节点，STM32处理器。因此，每次通过串□传输的为一台四路的传感数据，其中，每判断0xOd接收标志位是否为1:若否，判断本次收到的是否为0xOd,若是，则将0xOd标志位置1,若不是，则将数据存入数组USART_RX_BUF[],数组序号加1;若为1,已收到0x0d,判断本次收到是否为0x0a,若不是，说明上次接收到的0xOd也不是分隔符，将0x0d和本次数据存入数组USART_RX_BUF[],数组序号加2(可能存在本次又接收0xOd,但概率极小，不做考量),若是，则证明一路接收完成，count值加1,当count等于4,证明4路接收完成，一台接收完成标志位置1。NN组，序号加1NY标志置1N0x0d和本次数据存入数组，序号加2中断处理函数YY加1,0x0d标志清0Y图5-15串口接收中断处理在图5-13代码整体结构中可知，在系统初始化和入网完成后进入用户采集开始开始在用户采集函数userHandle(中，首先一台接收完成标志位进行判断，若为1表明一台四路接受完成，开始进行处理。按照第三章中帧格式可知，去除0x0d、0x0a后，每一路还剩24位数据，在八位数组USART_RX_BUF[]中每三个数组元素为一路数据。三个数组元素第一个元素前两位为变压器台数，而后两位为传感器路数，分类完成后，按照第三章中传感器输出电流量与频率量的关系，将剩余20位频率数据量转换为电流量，显示在LCD屏上，同时将电流值赋给用户设备状态结构体。用户设备状态结构体是根据所申请数据点的信息生成的，用来保存数据点所对应的设备状态。本文申请了八个数据点对应两台各四路传感器信息，因此生成的结构体有八个成员对应每一路传感电流值。同时，设置传感电流电流上限值I_alarm,当有传感电流值超过上限，LCD屏传感电流值后对应色彩显示区域有绿变红，对应设备报警数据点的结构体第九个成员置1,此时，手机APP上会出现报警信号。协议处理函数gizwitsHandle()会通过gizCheckReport()函数判断用户设备状则将数据通过gizDataPoints2ReportData()进行数据转换，完成用户区数据到上报型数据的转换，将用户上传的数值如小数、负数等通过转换函数转化为设备能够识别的uint类型。最后，调用gizReportData()函数将转换后的满足协议要求的上报数据通过串口发送到WIFI模块进行发送。本章设计了对多路AD转换的输出进行传输的ZigBee无线传感网络及进行数据上传物联网平台。首先，介绍了所搭建ZigBee无线传感网络及物联网平台和物联网平台的主要硬件电路。最后，由Z-stack协议栈工作原理开始，介绍ZigBee终端节点入网和协调器节点的软件程序设计，阐述了物联网平台中MCU2监测系统实验与结果分析所设计向高压侧信号采集与处理系统供电的供电电源首先在低压侧逆变产2.1.1实验设备及过程实验过程：采用Saber软件对供电电源进行仿真，而后用CosmosScope对仿2.1.2实验数据及分析图6-1、6-2分别为逆变电路开关管驱动S嗨所选电容、电阻值代入公式(3-1)、(3-2)可计算得开关管驱动信号的频率为226.7kHz,受电容、电阻精度影响，示波器实际测量结果为227.6kHz,相差不大。驱动信号电压幅值大概为15V左右，足以驱动开关管。在开关管刚导通导通时间t,和关断时间t.分别为16ns和9.4ns,导通时间较长；另一方面受推挽导通和关断时，受变压器漏感影响，开关管承受大于2倍输入电压的尖峰电压，由仿真和实验波形可以看出，逆变后电压幅值为150V左右，满足设计要求。在开关管导通和关断时，电压波形会出现尖峰电压和震荡，同上文所述，主要由于推挽变压器漏感导致。图6-5、6-6分别为整流滤波后输出电压的仿真和实验波形。由仿真和实验波形可以看出，经过整流滤波后能生成大概15V直流输出电压。在实际整流滤波电路中，滤波电容在高频下串联等效电感和串联等效电阻的影响，采用具有良好高频特性低电感的高频电解电容，同时采用多电容并联的方式减小串联等效电阻。输出纹波电压在80mV左右，约为输出电压的0.5%。5U拟电力变压器高压侧传感器输出电流信号，经过I/F转换后经过电光转换电路后1)实验设备及过程实验设备包括：PC机、FPGA电路板、电源适配器、U实验过程：将编写好的程序下载到FPGA电路板中。FPGA通生四路分别为166666Hz、416666Hz、625000Hz和892857Hz的输出待测信号，USB输出到PC机，观察结果验证测量模块的准确性。2)实验数据及分析图6-7为PC机串口调试助手显示的FPGA频率测量输出结果。时钟分频输入信号第一路频率值用十六进制表示为028BOA,二进制表示第一台第一路序号为0000,十六进制表示结尾分隔符为OD0A,综上，输出40位数据位028BOA0D0A,同理可得两外三路输出为165B9AODOA、2989680D0A、3D9FB90D0A,从图6-7可知，FPGA串口输出数据与理论数据相符。2.2.2采样传输实验到的实验结果进行了分析，实验原理图如图6-8所示。光电转换电光转换光电转换电光转换A1)实验设备及过程实验设备包括：焊接好的采样传输电路板、直流稳压电源、电阻、电流电压信号与电阻串联产生，光纤传输后经光电转换电路产生的频率信号传输到传输到PC机。2)实验数据及分析表6-1为FPGA输出的频率测量结果。频率f/kHz电流I/mA拟合并对其拟合误差分析，拟合曲线如图6-9所示；——I/F关系曲线X可求得频率与电流的关系如公式(6-1)所示：越好，所得模型R-square等于1,表明频率与电流具有良好的线性相关性，所得模型SSE(和方差)仅为0.067,同样证明拟合效果较好。实验数据中的最大误m