Zigbee無線技術(shù)在工業(yè)儀表中的應(yīng)用

T.D.Garnett,R.A.McMahonandE.Abdi-Jalebi

英國劍橋大學(xué)摘要對電氣工程來說測量電流是基本的。不涉及在電路中內(nèi)置傳感器的無線電流傳感系統(tǒng)很有吸引力。本文敘述了近來引進(jìn)無線傳感協(xié)議系統(tǒng)的使用和性能。該系統(tǒng)使用一個羅可夫斯基線圈做傳感器，一個和積分電路合并在一起的發(fā)射單元，一個微控器和Zigbee發(fā)射模塊。接收方有個更進(jìn)一步的Zigbee模塊和一個驅(qū)動給出當(dāng)前讀數(shù)的液晶顯示器的高級微控器。測試表明該系統(tǒng)運(yùn)行時會有一個小于0.04A的線性誤差和一個潛在的8個月的電池壽命。1?簡介電流的測量對電氣能源工程來說是基本的。在大多數(shù)情況下破壞現(xiàn)有電路內(nèi)置一個測量設(shè)備是不可取的，并且該設(shè)備會影響電路的電氣特性，例如通過強(qiáng)加一個電壓負(fù)擔(dān)。在不用破壞電路的情況下極為貼近的監(jiān)測電流是個更可取的選擇。有許多已經(jīng)確定的方法可以實現(xiàn)這種監(jiān)測,包括目前的變壓器和走廊的探頭。在本文中會用到羅可夫斯基線圈，因為它尺寸小，重量輕，精確。遙感電流可取的地方經(jīng)常會應(yīng)用到，例如當(dāng)電流在一個移動的部位或者在一個高壓電路。用一個無線電設(shè)備連接傳感器和接收方使無線系統(tǒng)提供一個便利的解決方法。無線系統(tǒng)也會克服有線連接的缺點，伴隨著毀壞和失敗的危險。最近無線技術(shù)方面的進(jìn)步已經(jīng)使得為數(shù)據(jù)發(fā)送特別設(shè)計的新系統(tǒng)是可用的，包括Wi-Fi，藍(lán)牙，建立無線電廣播（lOOsMHz）和紅外線方法的Zigbee。檢測旋轉(zhuǎn)電機(jī)里轉(zhuǎn)子條電流的要求（就是所知的無刷雙饋電機(jī)）為無線電流檢測方法的研究提供了最初動機(jī)。使用羅可夫斯基線圈感應(yīng)電流和一個模擬信號調(diào)節(jié)電路并用藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送建立起了一個新系統(tǒng)。相對高的帶寬允許來自多個傳感器的高分辨率電流波形進(jìn)行發(fā)送。然而目前發(fā)送器的功耗很高，需要頻繁的再充電。本文描述的感測系統(tǒng)旨在工頻中多用途測量達(dá)10A的電流。ZigBee無線格式已被選定為這項工作，因為它對低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，因此延長了電池壽命。另外，

傳輸范圍比較大并且ZigBee在聯(lián)網(wǎng)模式下可以使用。本文將介紹ZigBee協(xié)議，解釋系統(tǒng)的設(shè)計，并給出測試結(jié)果。2.Zigbee協(xié)議Zigbee簡介ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)PAN(PersonalAreaNetwork)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但I(xiàn)EEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE,對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。定義了一個靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，保證便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸也不會被其他節(jié)點獲得。ZigBee協(xié)議的整體框架如圖1所示。ZigBee

聯(lián)盟應(yīng)用ZigBee

聯(lián)盟途也網(wǎng)絡(luò)安全層?L V —-—■￡— MAC層][MAC￡圖1ZigBee的整體協(xié)議構(gòu)架.Zigbee是一種智能數(shù)字協(xié)議，可以使用三種頻率，包括最常用的一種2.4GHz。wfciar*v■i在這種頻率下，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kbit/s。與例如藍(lán)牙的其他協(xié)議相比，這是一個相對低的帶寬。然而，低傳輸速率降低了功耗，當(dāng)傳輸時一個典型的模塊消耗45毫安。當(dāng)處于空閑狀態(tài)時，在所謂的睡眠模式下功耗可以減小到少于50微安。Zigbee發(fā)送范圍達(dá)30米，但是通過使用一種協(xié)議下的拓?fù)溥B接發(fā)送距離還會增加。利用多點網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離可以輕易達(dá)到1km，因為在一個單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)中Zigbee允許高達(dá)65000個節(jié)點。其他的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ê唵蔚闹苯舆B接和星形排列,后者用于工業(yè)傳感更理想，它有多個發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)流可以傳回中央接收單元。Zigbee在電力的噪聲環(huán)境中表現(xiàn)很好。2.2無線協(xié)議的比較ZigBee與Bluetooth以及IEEE802.11b無線協(xié)議的一些特征比較如圖2所示。特征IEEE8O2.libBluetoothZigBee能量持續(xù)數(shù)小時1星期1年以上復(fù)雜程度復(fù)雜非常復(fù)雜簡單節(jié)點數(shù)/個32764000反應(yīng)時間/300100030有效范圍彷1001070擴(kuò)展能栩23種無線協(xié)議的一些特征比較可以數(shù)據(jù)傳輸率/kb/s110001000250ZiBlue-tooth適用于中等的任務(wù)周期，次要的電池能耗考慮（電池持續(xù)時間和控制單元相同）,半靜態(tài)星型網(wǎng)絡(luò)（接近7個節(jié)點）,主要針對需要中等數(shù)據(jù)傳輸率，高服務(wù)質(zhì)量（QoS）,以及低反應(yīng)時間的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee適用于非常低的任務(wù)周期，很長的電池壽命，在靜態(tài)及動態(tài)的星型及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，可以有非常多的節(jié)點單元（>>65534個），在沒有網(wǎng)絡(luò)間通信時能夠保持長時間靜止?fàn)顟B(tài)?？偠灾?，藍(lán)牙主要應(yīng)用于高QoS,多樣的任務(wù)周期，中等數(shù)據(jù)傳輸率的平等靜態(tài)的具有有限活躍節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)中。而ZigBee則主要是應(yīng)用在非常低的任務(wù)周期，低能耗，低花費(fèi)的靜態(tài)及動態(tài)的具有很多活躍節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)中。2.3Zigbee節(jié)能技術(shù)ZigBee節(jié)省的大部分能量歸功于IEEE802.15.4協(xié)議，其本身是為低功率設(shè)計的。IEEE802.15.4采用DSSS（直接序列擴(kuò)譜）技術(shù)取代FHSS（跳頻擴(kuò)譜）技術(shù)，這是由于后者為保持同步跳頻會消耗較多的功率。ZigBee的MAC層有2種信道訪問機(jī)制，即non-beacon網(wǎng)絡(luò)和beacon-enabled網(wǎng)絡(luò)。non-beacon網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的ALOHACS-MA-CA方式，節(jié)點成功接收到信息包后能產(chǎn)生一個積極的回應(yīng)。beacon-enabled網(wǎng)絡(luò)采用超幀結(jié)構(gòu)，這一方面為了有專有的帶寬和低的反應(yīng)時間，另一方面通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定在預(yù)定的時間間隔內(nèi)傳輸標(biāo)識beacons。3系統(tǒng)設(shè)計整個系統(tǒng)布局的標(biāo)準(zhǔn)如下表1。羅可夫斯基線圈是一個空心線圈，用來檢測被線圈包圍的網(wǎng)格的電流。當(dāng)線圈被放在網(wǎng)格中時會產(chǎn)生與電流變化速率成比例的電壓。羅可夫斯基線圈的設(shè)計和構(gòu)造已經(jīng)在【6】中詳細(xì)介紹過。線圈檢測到的電壓計算方程如方程一。Vcoil=-卩°nAdi/dt (1)卩0是自由空間的透磁率，n是每單位長度線圈的圈數(shù)，A是鋼卷橫截面積，i是電線中的電流。從方程中可以看出為了獲得電流有必要對誘導(dǎo)電壓進(jìn)行積分。積分電路也充當(dāng)一個低通濾波器，減少高頻噪聲。積分電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)如方程2。Vout/Vin二-R2/R1(1+jeC1R2) (2)極點設(shè)置在2.8Hz,所以對理想值50Hz來說有0.2%誤差的積分器可視為理想積分器。積分器的性能已經(jīng)用MATLAB模擬過了。積分器的電路圖如表2。積分器的輸出直接送入12位的A/D轉(zhuǎn)換器。為了保持系統(tǒng)簡明，只用了8位的分辨率，所以避免了不必要的字節(jié)重建。發(fā)射器旁邊用一個PIC微控器控制A/D轉(zhuǎn)換器和Zigbee模塊，也用來操作電流數(shù)據(jù)。因為需要均方根值，這個計算里面產(chǎn)生了一個算法。為了減少計算的復(fù)雜度，決定從電流波形的峰值中找出均方根值。問題是是從無線鏈接中發(fā)射完整的電流波形，還是僅僅是最大值。為了減少發(fā)射模塊的功耗，決定僅僅發(fā)送最大值。因此最后用PIC發(fā)射機(jī)發(fā)送最大值。在一個單播模式中使用兩個XBeeZigbee模塊（變送器和接收器）并用64位尋址對其編程。這個操作模式表明只有兩個模塊可以互相交流。它也有這樣的效果：發(fā)送完數(shù)據(jù)后，確認(rèn)信息會被傳回給發(fā)送者，減少了通過丟失數(shù)據(jù)包出錯的機(jī)會。最初沒有用到睡眠模式。LCD顯示器的電流分辨率是0.04A,由A/D轉(zhuǎn)換器的8位分辨率決定的。因此，最大檢測電流是10A，選擇了最大值可能達(dá)到9.99A的三位液晶顯示器。為了操作LCD，片段和底板相連提供平方波。為了讓一個片段顯示“on”，片段的驅(qū)動信號必須超前相位180度來與底板連接。驅(qū)動LCD有兩種方法，叫做直接法和多路復(fù)用法。因為僅僅控制23個片段并且PIC的許多空閑引腳可以使用，所以選擇了直接驅(qū)動。來自微控器的直接驅(qū)動法有明顯的優(yōu)點，不需要外部的LCD直接驅(qū)動，因此減少了功耗和整體花費(fèi)。重要的一點是確保沒有直流分量出現(xiàn)在片段中，所以PIC使用了字節(jié)觸發(fā)器指令和定時器循環(huán)來產(chǎn)生方波。驅(qū)動LCD也一樣，PIC接收器必須衡量從發(fā)送器單元接收到的數(shù)據(jù)以給出正確的標(biāo)度。標(biāo)度最初是用線圈理論上的敏感度和積分器的增加來實現(xiàn)。這為測量因素提供了一個10.6的值。通過使用一個電流轉(zhuǎn)換器和一個示波器，一個實驗性的標(biāo)度也能實現(xiàn)，這個標(biāo)度包括任何來自羅可夫斯基線圈錯誤的影響。比例系數(shù)中發(fā)現(xiàn)一個接近10.6-11的值，這個被編程編到PIC里，伴隨著一個查詢表，

所以正確的片段將因為電流打到“開”。PIC也插小數(shù)點后第一位。表格3和表格4分別展示了羅可夫斯基線圈和接收器。表3-羅可夫斯基線圈4系統(tǒng)的性能表3-羅可夫斯基線圈4系統(tǒng)的性能4.1線性度測試建立該單元用來檢測單個導(dǎo)體的電流。電流不斷改變所以可以發(fā)現(xiàn)顯示單元顯示的電流值和傳統(tǒng)串聯(lián)的電流之間的關(guān)系。結(jié)果展示在表格5并且可以看到接收器當(dāng)前值從不會超過趨勢線0.04A。<<J」>55屮-al一弓依次給發(fā)射器和接收器的輸入終端附加一個電流表，電流的流向就確定了?？梢园l(fā)現(xiàn)發(fā)射器當(dāng)前消耗是63.0mA而接收器是58.5mA。當(dāng)發(fā)射時手工XBee給出的XBee模塊當(dāng)前消耗是45mA，表明通過這些模塊兩種情況下大多數(shù)電流都下降。沒有Zigbee模塊，發(fā)射器的電流降至11.9mA,表明事實上發(fā)射時模塊使用超過45mA。Zigbee—個主要的好處就是他的低功耗。然而，這只有僅僅當(dāng)使用該模塊的睡眠模式時才能實現(xiàn)。但是把該模塊放在發(fā)射器旁邊讓他進(jìn)入睡眠模式時可以發(fā)現(xiàn)電流降至13.8mA。當(dāng)沒有該模塊時發(fā)射器降至11.9mA,這表明睡眠時該模塊降了1.9mA，這超過數(shù)據(jù)記錄的50“A【3】。紐扣電池和AAA電池被認(rèn)為是能量資源。兩粒紐扣電池將會給最小需求提供3伏電壓。然而，最大的放電電流只有2mA，這是不夠的，除非傳輸一個罕見大容量且平鋪在供應(yīng)傳輸過程中提供的峰值電流。三粒AAA電池替代紐扣電池，因為它能提供峰值放電電流1.5A和總電壓4.5V，這足夠了。他們平均容量是1250mAh,這意味著如果持續(xù)發(fā)射這些電池會持續(xù)62.5小時。如果模塊99%的時間處于睡眠模式，那他們的時間將會接近八個月。4.3提供電流波形為接收器和發(fā)射器提供的電流波形通過在返回功率電路中串聯(lián)一個2歐姆的電阻得以分析。電阻上的電壓波形是電流下降的復(fù)制并且波形可以通過示波器觀察。一個典型的發(fā)射器對應(yīng)波形如表6。

圖像里指出電流尖峰信號發(fā)生在6.3Hz,這恰好是通過無線鏈接發(fā)送的速率。當(dāng)發(fā)射停止時沒有尖峰信號出現(xiàn)，并且當(dāng)接收單元停止時發(fā)射電流的尖峰信號變得更寬。這是操作單一傳送模式的一種結(jié)果，數(shù)據(jù)要發(fā)送三次直到接收到確認(rèn)信號。發(fā)射機(jī)的平均電流是66mA，這接近于電流表的測量值。4.4發(fā)送范圍對用戶來說無線系統(tǒng)的操作范圍是相當(dāng)重要的。為了找到系統(tǒng)的范圍，發(fā)射器由能量提供運(yùn)行，而接收器由電池供電。接收器在實驗室內(nèi)移動，所以一直都可以清晰的看到發(fā)射器，避免任何可能的不必要衰減?？梢园l(fā)現(xiàn)運(yùn)行的最大距離大約是22米。4.5噪聲的干擾和電流均方根的計算使用最大值求電流均方根的方法是項簡單的技術(shù)。然而，對瞬變現(xiàn)象來說容羅可夫斯基線圈的輸出非常嘈雜，正如表7所示。然而，當(dāng)可以觀察積分器的輸出時（表8），當(dāng)積分器作為一個低通濾波器時可以看出噪聲已經(jīng)被移除了。IunnodLKnivM milllhh uni左ijmnY當(dāng)羅可夫斯基線圈檢測不到電流時，噪聲水平是+/-2mV。該方法另外一個不利因素是得出均方根值出現(xiàn)峰值非正弦電流波形。為了解IF hJ tJ *II T!1JfZTTTVI釋這個影響，基于三端雙向可控硅開關(guān)元件產(chǎn)生的輸出電流需要感測到。盡管積■■分器再一次排除了瞬態(tài)變量的影響，顯示出的電流均方根值有10%的誤差。5討論5.1系統(tǒng)性能使用基于Zigbee系統(tǒng)來移除電流傳感的實用性已經(jīng)得到證實。驗證系統(tǒng)的經(jīng)歷已經(jīng)強(qiáng)調(diào)需要更進(jìn)一步考慮的問題。5.2提供電流消耗發(fā)射器和接收器的電流消耗分別是63mA和58.5mA,并且在睡眠模式下發(fā)射器下降13.8mA。因此，為了充分利用Zigbee相對低的功耗，必須使用睡眠模式。另外，必須關(guān)注減少PIC和模擬電路的電流消耗。為了準(zhǔn)確使用睡眠模式，當(dāng)其他模塊喚醒周期性地檢查新數(shù)據(jù)，其中一個模塊必須保持全天候。在這個系統(tǒng)中當(dāng)發(fā)射器睡眠時其他單元在錯誤的循環(huán)，但這也是發(fā)送數(shù)據(jù)的單元。因此另一個睡眠模式必須在用來喚醒單元的模塊引腳處被合并。因為睡眠模式占用了99%的時間，所以電池壽命可以達(dá)到8個月。能量供應(yīng)問題的進(jìn)一步研究將是有益的。本文可以發(fā)現(xiàn)停止用紐扣電池給系統(tǒng)供電是不可行的，除非采用特殊的測量。一個有趣的選擇是使發(fā)射器像寄生蟲一樣運(yùn)行，使用電流線中的電磁場能源。5?3噪聲干擾和電流均方根的計算積分器在減少噪聲水平方面更有效。剩余噪聲，+/-2mV，少于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率12mV，因此噪聲不是問題。從峰值計算電流的均方根很簡單，但是僅僅用于正弦波形曲線才是正確的。因為已經(jīng)在調(diào)光器的燈光測試輸出中得到驗證。目前系統(tǒng)的回應(yīng)時間也很慢，典型的是1秒，因為該系統(tǒng)為每個最長期限采用了100000數(shù)據(jù)值以確?？偰馨l(fā)現(xiàn)真正的最大值。另一個解決方案是積分后使用一個峰值檢測器電路，消除時間延遲。計算真實電流有效值會克服波形的限制和響應(yīng)速度慢的問