摘  要： 在智能低壓電器的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要進(jìn)行電壓的采集，而有線采集的方法在某些場合中并不適用。提出基于ZigBee無線技術(shù)的電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)0～21 V直流電壓的采集。
關(guān)鍵詞： ZigBee；無線；STM32W；電壓采集

    智能電網(wǎng)是世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢，國內(nèi)外均給予了極大關(guān)注，這給用戶端低壓電器提供了一次很好的發(fā)展機(jī)遇[1]。智能化低壓電器在應(yīng)用中常需要進(jìn)行電壓的采集并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電壓采集時(shí)，存在布線困難等缺點(diǎn)，尤其是在一些原本電線就較多較為復(fù)雜的電器中，這種缺點(diǎn)帶來的布線困難不言而喻。隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，無線通信的應(yīng)用越來越廣泛，其中，ZigBee無線技術(shù)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、家居等領(lǐng)域，獲得了較好的效果。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能低壓電器的電壓采集，系統(tǒng)接線簡單，相對于傳統(tǒng)的布線節(jié)省了成本，修改檢測節(jié)點(diǎn)方便，并且檢測節(jié)點(diǎn)具備通用性，便于改變檢測設(shè)備和檢測位置。
1 電壓采集系統(tǒng)的介紹
1.1 ZigBee技術(shù)
    ZigBee技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的一種實(shí)現(xiàn)，是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用全球通用頻段2.4 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為10 kb/s～250 kb/s，其工作基礎(chǔ)是IEEE802.15.4[2]。同樣基于該標(biāo)準(zhǔn)的WSN協(xié)議還有6LoW-PAN、ISA100、RF4CE等。與這些技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)更簡單、實(shí)現(xiàn)成本更低，其主要特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[3]。
    目前ZigBee的解決方案主要有兩種，一種是單片機(jī)加上ZigBee射頻芯片的組合解決方案，另一種是片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）單芯片解決方案。前者能夠靈活搭配，后者可以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。
1.2 電壓采集系統(tǒng)的組成
    系統(tǒng)包含兩類節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)（路由設(shè)備/終端設(shè)備）和匯聚節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）。前者按照需要安裝在指定的位置，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)路由功能，轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包；后者負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立以及維護(hù)，并接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行相應(yīng)處理后通過串口傳送給終端并顯示。通過終端，用戶可以看見每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前采集到的電壓數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置了一定數(shù)量的具有ZigBee無線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將采集到的數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口與終端相連，在終端上顯示采集的數(shù)據(jù)。
2 硬件設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的基本單元，硬件選用SoC單芯片解決方案實(shí)現(xiàn)ZigBee通信。系統(tǒng)采用的控制芯片是STM32W108[4]無線射頻單片機(jī)，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器(MCU)與無線射頻結(jié)合的SoC，內(nèi)部既有一般MCU的通用資源和外設(shè)，也有特殊的射頻模塊。由于無線射頻的特殊性，本系統(tǒng)未進(jìn)行專門的STM32W108硬件設(shè)計(jì)和2.4 GHz天線設(shè)計(jì)，而是直接采用上海慶科信息技術(shù)有限公司推出的STM32W108應(yīng)用模塊EMZ3118[5]，如圖2所示，該模塊帶外部射頻功率放大器(PA)，最大輸出功率為20 dBm(100 mW)，接收靈敏度為-103 dBm，工作電流分別為190 mA(發(fā)射)、41 mA(接收)、0.82 ?滋A(休眠)。采用EMZ3118模塊直接進(jìn)行開發(fā)，有利于節(jié)約成本與時(shí)間。

2.1 節(jié)點(diǎn)控制電路
    從硬件角度看，傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)控制部分的電路相同，如圖3所示。電路包括EMZ3118模塊、晶振電路、按鍵電路（RST為強(qiáng)制復(fù)位按鍵，S1為允許/加入網(wǎng)絡(luò)按鍵）、LED電路及JTAG電路等。其中ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口，RXD、TXD為串口通信發(fā)送接收端口。
2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)干電池電路與信號采集電路
    傳感器節(jié)點(diǎn)由兩節(jié)5號干電池供電，節(jié)點(diǎn)還包括電壓采集電路，如圖4所示。

    STM32W108單片機(jī)的ADC單端輸入范圍最大為0～+VDD_PADS（供電電壓）。芯片的供電電壓為2.1 V～3.6 V，實(shí)際采用兩節(jié)5號干電池供電。為了保護(hù)ADC端口，本設(shè)計(jì)限制ADC端口輸入為0～2.1 V。
    采集電壓時(shí)，利用電阻分壓進(jìn)行衰減，使得ADC的輸入電壓在0～2.1 V，同時(shí)使用鉗位二極管進(jìn)行保護(hù)。這里取R1為9 kΩ，R2為1 kΩ，INPUT端輸入電壓限制為0～21 V。
2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)USB轉(zhuǎn)串口電路與3.3 V穩(wěn)壓電路
    匯聚節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)之一是收集傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，在測試期間必須處于正常工作狀態(tài)，其中一個(gè)必要的保證就是電源。由于本設(shè)計(jì)中匯聚節(jié)點(diǎn)通過miniUSB接口與終端機(jī)相連，故匯聚節(jié)點(diǎn)直接從USB端口取電(5 V電壓經(jīng)3.3 V穩(wěn)壓后給單片機(jī)供電)，這樣就從電源方面保證了匯聚節(jié)點(diǎn)的正常工作。匯聚節(jié)點(diǎn)利用USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232R實(shí)現(xiàn)與終端機(jī)的通信，如圖5所示。

4 測試結(jié)果
    在實(shí)驗(yàn)室常溫狀態(tài)下，對0～21 V的直流電壓的采集進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示（MY65數(shù)字萬用表測得1 kΩ電阻與9 kΩ電阻實(shí)際值為0.986 9 kΩ和9.136 kΩ，軟件編程計(jì)算參數(shù)以該數(shù)據(jù)為準(zhǔn)），表中實(shí)際值為萬用表測得的結(jié)果，顯示值為終端上顯示的數(shù)據(jù)。
 

    基于ZigBee技術(shù)的電壓采集系統(tǒng)中傳感器各節(jié)點(diǎn)自組織形成無線網(wǎng)絡(luò)，通過STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)將采集的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，數(shù)據(jù)誤差較小，較為穩(wěn)定，可移植性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了ZigBee技術(shù)在電壓采集中的應(yīng)用。但是本系統(tǒng)測試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，僅對0～21 V直流電壓進(jìn)行測試，如果在實(shí)際中應(yīng)用，電壓采集部分還需要重新設(shè)計(jì)以適應(yīng)更多場合，另外，其穩(wěn)定性、可靠性還需要進(jìn)行更加全面的測試。
參考文獻(xiàn)
[1] 尹天文，張揚(yáng)，柴熠.智能電網(wǎng)為低壓電器發(fā)展帶來新機(jī)遇[J].低壓電器，2010(2)：1-4.
[2] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[3] 沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.
[4] STMicroelectronics.STM32W108HB STM32W108CB DataSheet[S].http：//www.st.com/mcu，2010.
[5] EMZ3XX8可編程模塊數(shù)據(jù)手冊V2[S].http://www.mxchip.com/，2011.