Zigbee无线技术在工业仪表中的应用
T.D.Garnett, R.A.McMahon and E.Abdi-Jalebi
英国 剑桥大学
摘要
对电气工程来说测量电流是基本的。不涉及在电路中内置传感器的无线电流传感系统很有吸引力。本文叙述了近来引进无线传感协议系统的使用和性能。该系统使用一个罗可夫斯基线圈做传感器，一个和积分电路合并在一起的发射单元，一个微控器和Zigbee发射模块。接收方有个更进一步的Zigbee模块和一个驱动给出当前读数的液晶显示器的高级微控器。测试表明该系统运行时会有一个小于0.04A的线性误差和一个潜在的8个月的电池寿命。
1.简介
电流的测量对电气能源工程来说是基本的。在大多数情况下破坏现有电路内置一个测量设备是不可取的，并且该设备会影响电路的电气特性，例如通过强加一个电压负担。在不用破坏电路的情况下极为贴近的监测电流是个更可取的选择。有许多已经确定的方法可以实现这种监测，包括目前的变压器和走廊的探头。在本文中会用到罗可夫斯基线圈，因为它尺寸小，重量轻，精确。
遥感电流可取的地方经常会应用到，例如当电流在一个移动的部位或者在一个高压电路。用一个无线电设备连接传感器和接收方使无线系统提供一个便利的解决方法。无线系统也会克服有线连接的缺点，伴随着毁坏和失败的危险。最近无线技术方面的进步已经使得为数据发送特别设计的新系统是可用的，包括Wi-Fi，蓝牙，建立无线电广播（100sMHz）和红外线方法的Zigbee。
检测旋转电机里转子条电流的要求（就是所知的无刷双馈电机）为无线电流检测方法的研究提供了最初动机。使用罗可夫斯基线圈感应电流和一个模拟信号调节电路并用蓝牙协议发送建立起了一个新系统。相对高的带宽允许来自多个传感器的高分辨率电流波形进行发送。然而目前发送器的功耗很高，需要频繁的再充电。本文描述的感测系统旨在工频中多用途测量达10A的电流。ZigBee无线格式已被选定为这项工作，因为它对低功耗进行了优化，因此延长了电池寿命。另外，
传输范围比较大并且ZigBee在联网模式下可以使用。本文将介绍ZigBee协议，解释系统的设计，并给出测试结果。
2.Zigbee协议
2.1 Zigbee简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术, 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee的基础是IEEE802. 15. 4。IEEE802. 15. 4是IEEE无线个人区域网PAN( Personal AreaNetwork) 工作组的一项标准, 被 称作IEEE802. 15. 4技术标准。但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议, 因此ZigBee联盟扩展了IEEE, 对其网络层协议和API 进行了标准化。定义了一个灵活、安全的网络层。ZigBee联盟还开发了安全层, 保证便携设备不会意外泄漏其标识, 而且这种利用网络的远距离传输也不会被其他节点获得。ZigBee协议的整体框架如图1所示。
图1 ZigBee的整体协议构架
Zigbee是一种智能数字协议，可以使用三种频率，包括最常用的一种2.4GHz。在这种频率下，数据传输速率高达250kbit/s。与例如蓝牙的其他协议相比，这是一个相对低的带宽。然而，低传输速率降低了功耗，当传输时一个典型的模块消耗45毫安。当处于空闲状态时，在所谓的睡眠模式下功耗可以减小到少于50微安。Zigbee发送范围达30米，但是通过使用一种协议下的拓扑连接发送距离还会增加。利用多点网络，传输距离可以轻易达到1km，因为在一个单独网络中Zigbee允许高达65000个节点。其他的网络拓扑包括简单的直接连接和星形排列，
后者用于工业传感更理想，它有多个发射机数据流可以传回中央接收单元。Zigbee在电力的噪声环境中表现很好。 2.2 无线协议的比较
2.2.1 ZigBee与Bluetooth以及IEEE802. 11b无线协议的一些特征比较如图2所示。
图2 3种无线协议的一些特征比较
2.2.2 ZigBee与Bluetooth的具体比较。
Blue-tooth适用于中等的任务周期, 次要的电池能耗考虑( 电池持续时间和控制单元相同) , 半静态星型网络( 接近7个节点) , 主要针对需要中等数据传输率, 高服务质量( QoS) , 以及低反应时间的无线网络。ZigBee适用于非常低的任务周期, 很长的电池寿命, 在静态及动态的星型及网状结构中, 可以有非常多的节点单元( > > 65534个) , 在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。总而言之, 蓝牙主要应用于高QoS, 多样的任务周期, 中等数据传输率的平等静态的具有有限活跃节点的无线网络中。而ZigBee则主要是应用在非常低的任务周期, 低能耗, 低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。 2.3 Zigbee节能技术
ZigBee节省的大部分能量归功于IEEE802.15. 4协议, 其本身是为低功率设计的。IEEE802.15. 4采用DSSS( 直接序列扩谱) 技术取代FHSS( 跳频扩谱) 技术, 这是由于后者为保持同步跳频会消耗较多的功率。ZigBee的MAC层有2种信道访问机制, 即non-beacon网络和beacon-enabled网络。non-beacon网络采用标准的ALOHACS-MA-CA方式, 节点成功接收到信息包后能产生一个积极的回应。beacon-enabled网络采用超帧结构, 这一方面为了有专有的带宽和低的反应时 间, 另一方面通过网络协调器设定在预定的时间间隔内传输标识beacons。
3 系统设计
整个系统布局的标准如下表1。
表1—整个系统的布局
罗可夫斯基线圈是一个空心线圈，用来检测被线圈包围的网格的电流。当线圈被放在网格中时会产生与电流变化速率成比例的电压。罗可夫斯基线圈的设计和构造已经在【6】中详细介绍过。线圈检测到的电压计算方程如方程一。
Vcoil=-?0nAdi／dt （1）
?0是自由空间的透磁率，n是每单位长度线圈的圈数，A是钢卷横截面积，i是电线中的电流。从方程中可以看出为了获得电流有必要对诱导电压进行积分。积分电路也充当一个低通滤波器，减少高频噪声。积分电路的转换函数如方程2。
Vout/Vin=-R2/R1（1+jωC1R2） （2）
极点设置在2.8Hz，所以对理想值50Hz来说有0.2%误差的积分器可视为理想积分器。积分器的性能已经用MATLAB模拟过了。积分器的电路图如表2。积分器的输出直接送入12位的A/D转换器。为了保持系统简明，只用了8位的分辨率，所以避免了不必要的字节重建。
表2-积分器电路图
发射器旁边用一个PIC微控器控制A/D转换器和Zigbee模块，也用来操作电流数据。因为需要均方根值，这个计算里面产生了一个算法。为了减少计算的复杂度，决定从电流波形的峰值中找出均方根值。问题是是从无线链接中发射完整的电流波形，还是仅仅是最大值。为了减少发射模块的功耗，决定仅仅发送最大值。因此最后用PIC发射机发送最大值。
在一个单播模式中使用两个XBee Zigbee模块（变送器和接收器）并用64位寻址对其编程。这个操作模式表明只有两个模块可以互相交流。它也有这样的效果：发送完数据后，确认信息会被传回给发送者，减少了通过丢失数据包出错的机会。最初没有用到睡眠模式。
LCD显示器的电流分辨率是0.04A，由A/D转换器的8位分辨率决定的。因此，最大检测电流是10A，选择了最大值可能达到9.99A的三位液晶显示器。为了操作LCD，片段和底板相连提供平方波。为了让一个片段显示“on”，片段的驱动信号必须超前相位180度来与底板连接。驱动LCD有两种方法，叫做直接法和多路复用法。因为仅仅控制23个片段并且PIC的许多空闲引脚可以使用，所以选择了直接驱动。来自微控器的直接驱动法有明显的优点，不需要外部的LCD直接驱动，因此减少了功耗和整体花费。重要的一点是确保没有直流分量出现在片段中，所以PIC使用了字节触发器指令和定时器循环来产生方波。
驱动LCD也一样，PIC接收器必须衡量从发送器单元接收到的数据以给出正确的标度。标度最初是用线圈理论上的敏感度和积分器的增加来实现。这为测量因素提供了一个10.6的值。通过使用一个电流转换器和一个示波器，一个实验性的标度也能实现，这个标度包括任何来自罗可夫斯基线圈错误的影响。比例系数中发现一个接近10.6-11的值，这个被编程编到PIC里，伴随着一个查询表，
Zigbee在工业中的应用
