随着国民经济的发展，电能资源在人类社会中的地位越来越重要。为了获得更安全、更可靠、更经济的电能，智能电网的概念应运而生。
智能电网是近年发展起来的一种电能供应结构形式。它通过信息感知、信息分析、预测推演、指令执行形成完整的信息流与能量流的协调控制，可以有效地保证供电的安全性、可靠性、经济性、电能质量、环保约束，并可以通过相关的信息管理系统实现与用户的互动和增值服务，是实现大规模、高密度、强动态的电能传输与分配的新型方式。
当前世界，能源短缺危机日益严重、电力系统规模持续增长、气候环境变化加剧，这使得智能电网技术越来越受到各国的重视。我国也在政府、高校研究机构和企业的共同参与下，对智能电网的技术问题、技术难点和技术路线开展了深人的研究，将发展智能电网视为关系到国家安全、经济发展和环境保护的重要举措。
简单地说，智能电网就是将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网。它具有提高能源效率、减小对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间互动和为用户提供增值服务等优点。
智能电网实现其功能的基本环节主要有两个：一个是电能高效、精确地转换；另一个是对电能的有效控制。而要实现这两个功能，就需要智能电网集中体现坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等基本特征，因此一个完善的监控系统就成为了智能电网实现其基本特征的有效保证。
本文在研究智能电网相关技术的基础上，提出了利用Zigbee数传技术构建局部智能电网监控系统的设计思路，可以有效地实现局部电力系统的数字化控制，为智能电网的进一步发展打下良好的基础。
1 Zigbee技术概述与分析
Zigbee数传技术是一种最新的无线通信方式，具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠、安全等基本特点。随着技术本身的不断完善，它已经成为了当今最先进的数字化无线技术。
Zigbee是一个由若干个Zigbee无线模块组成的无线数传网络平台，最大Zigbee无线模块数可以增加至65 000个。每一个Zigbee无线模块都可以看作是一个移动网络中的一个基站，功能也和基站类似。由这些模块构成了网络整体，支持模点之间的相互通信。单独一个Zigbee无线模块的传输距离并不大，大约在100 -200m的范围内。但是，作为一种新型的无线通信技术，zigbee网络可以将各种不同结构的Zigbee数传模块连接起来，扩展后的网络范围可达几百米，甚至几公里；同时整个Zigbee网络还可以与现有的其它各种通信网络互联。
Zigbee网络所遵循的无线网络协议是国际标准的七层开放式系统互联(OSI)模型。但是与OSI不太相同的是，Zigbee无线网络协议在ISO的基础上进行了扩充，主要的扩充为：IEE802．15．4标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接人控制子层(MAC)。Zigbee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。具体结构如图1所示。
图1 Zigbee无线网络协议结构图
Zigbee数传网络主要分网状、星形、簇树形结构。其中，最主要的是网状结构，每一个ZigBee无线模块可以作为一个节点，同时可以支持31个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备都可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。
ZigBee技术的目标是针对工农业自动化控制过程，可以在有效的区域内全面实现对被控对象的遥测、遥控等，是一种理想的近距离无线通信技术。
2 基于Zigbee技术的智能电网监控系统设计
智能电网的监控系统所实现的功能主要是对电网节点的电压、电流、节点内主要设备的各项运行参数等信息进行监控。由于主要设备对象不同，所监控的侧重点也不同，但不管是哪种类型的设备节结，ZigBee无线监控网络所采用的节点组成结构基本都是相同的，主要都是由电源、ZigBee数据采集单元、数据处理单元、数据的收发单元构成，具体结构如图2所示。
图2 监控网络节点框图
电源模块由外部稳压模块、供电模式切换模块、电池充电模块、DC-DC模块组成。主要的功能是为节点内的主要设备进行供电。电源模块对设备供电有两种模式：一种是电源供电模式，一种是电池供电模式。在外部电源供电良好时采用电源供电模式，当外部电源的供电受阻时，采用电池供电模式。ZigBee数据采集单元包含了采集各设备电压、电流、温度、湿度等参数的传感器，主要的功能是对节点设备的运行参数进行实时的采集。数据处理单元利用嵌入式微处理器芯片，嵌入式操作系统和相应的数据库对收集来的数据进行信息处理，同时还要依据上位机所下达的指令，指挥执行机构进行设备运行的调整。
本系统的微处理器芯片采用TI出品的CC2530。该芯片具有先进Zigbee协议栈，具有256 kB可编程闪存和8KRAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、AESl28协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程IO引脚。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于24和29 mA。同时CC2530具有从休眠到工作状态切换时间超短的基本特性。数据传输单元主要功能是接收Zigbee数据采集终端的数据信号，通过串口将数据发送监控显示终端；还可以接收来自监控显示终端的指令，控制Zigbee数传模块终端的状态(睡眠／唤醒)，图3为数据传输单元的软件程序流程图。
图3 数据传输单元程序流程图
3 总结
Zigbee数传技术是目前最活跃的一种无线通信技术，它不仅具有技术上的优势，同时还得到了IEEE国际标准化组织的认可，从而极大地激发了它在各个领域的应用。将Zigbee数传采集技术引入智能电网的建设当中，有利于实现智能电网的无线通讯功能，有利于有效掌握电网各个环节的重要运行参数，为推动智能电网的进一步发展提供了重要的技术手段。
0 引言
智能家居系统（SmartHome）最早源于欧美发达国家，是指以住宅为平台，利用现代计算机网络通讯、自动化控制技术、传感器技术、无线通讯技术、音视频技术，通过社区综合布线、社区局域网、Internet互联网，采用系统集成方式，将智能家居、家居安防、家居娱乐融为一体，逐步建立一个安全、舒适、方便、快捷的综合信息交互系统。智能家居技术的发展经历了有线方式和无线方式两个阶段。由于有线网固有的布线麻烦、可扩展性差等缺点，无线网络技术应用于家庭网络已成为必然趋势。这不仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了浪费在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通信特点。
利用无线网络技术构建价格低廉、性能可靠的智能家居系统将有重大的社会价值和巨大的商业潜力。在智能家居安防系统中需要对家居监控数据进行采集、分析和传递，因此网络通信技术是智能家居安防系统中的关键技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。它能够为用户提供机动、灵活的组网方式，非常适合于家庭控制，将成为智能家居控制技术的重要发展方向。而对于家庭网络通讯而言，传输的数据量小，在传输速率上不需要太高的要求。只需要信息的实时性好、时延短、成本低。相对于其他无线通讯技术而言，ZigBee无线模块技术是功耗和成本最低的技术之一。
1 智能家居控制系统功能
智能家居系统主要由智能终端、无线传感器网络节点、终端控制面板三大模块组成。终端控制面板通过有线方式连接家庭中各家用电器设备，无线方式接收智能终端控制指令，实现各家用电器设备的直接控制。无线传感器网络节点负责采集和传递各路监控信号。智能终端通过有线、无线方式接收来自各个设备的信息，对其分析处理，并能按预先设置的规则通过有线、无线方式发送控制指令，实现智能功能。
智能家居系统主要包括智能家电控制、智能安防、紧急求助等功能。
1.1 智能家电控制
终端有全开、全关、离家、会客、娱乐、休息等多种情景模式，业主可以预设好各个模式，只需一个触摸或遥控操作，家居环境就可以进入自己需要的模式。
1.2 智能安防
在住宅的门、窗上安装好门磁检测，对外玻璃上安装破碎探测器，主要通道及房间安装好红外探测器，并在梯口安装好监控摄像头进行实时监控。当有人在家或离家时，通过终端开启对应模式，对家庭安全设防。
若有人非法入侵时，家庭控制器发出声光报警，并通知业主及物业管理部门。厨房、客厅、卧室设置烟感、温感探测器监测所有房间有无火灾发生。如有火灾发生，发出报警信息通知业主及物业管理，并关闭所有电源，启动喷水灭火系统，最大限度降低火灾危害。厨房另设置可燃气体检测，检测燃气泄漏。
当有险情发生时，自动关闭煤气管道上的燃气阀并通知业主及物业部门。
1.3 紧急求助
当遇到紧急情况（如疾病或非法入侵）发生时，按紧急按钮向小区物业管理部门进行紧急求助报警。
2 基于ZigBee数传技术的远程智能家居控制系统硬件框架
基于ZigBee数传技术的智能家居控制系统由监控节点、网关节点、终端控制组成。监控节点和网关节点通过ZigBee无线模块组成家庭内部网络，终端控制通过电脑对家庭内部网络进行访问和控制。其中：监控节点分为温湿度ZigBee数据采集监测节点、灯光控制节点、安全监测节点；网关节点由最小系统、ZigBee通信模块组成。
ZigBee无线模块由主控芯片CC2530作为数据处理以及无线收发器；网关节点通过ZigBee模块将数据发送到控制终端。其系统结构如图一所示。
图一 远程智能家居控制系统结构示意图
3 基于ZigBee数传技术的远程智能家居控制系统软件构架
在远程智能家居控制系统中采用ZigBee数传模块实现数据的传输和处理。ZigBee协议栈是TI公司在通信中定义的协议，规定了软硬件应如何工作。
其中ZigBee协议栈分为5层，各层次功能如下：
（1）设备对象层，即ZDO（ZigBeeDeviceObject）层，提供了管理一个ZigBee数传模块节点所要使用的功能函数。ZDO为协调器、路由器和终端设备提供了应用端点的管理函数，其中包括：建立、发现和加入一个ZigBee数传网络，绑定应用端点和安全管理。
（2）应用框架层，即AF（ApplicationFramework）层，提供了针对协议栈的应用端点（End-Point1-240）和设备对象端点（EndPoint0）接口，其中主要包含：设备描述数据结构和数据收、发函数。
（3）应用支持子层，即APS（ApplicationSupportSublayer）层，为设备对象和应用实体提供了一系列的支持服务。
（4）网络层，即NWK（ZigBeenetwork）层，为上层提供了管理服务和数据服务。
（5）介质访问层，即ZMAC层，在802.15.4MAC与网络层之间提供接口。
ZigBee数传网络的构成主要由协调器节点、终端节点和路由器节点构成。如果一个ZigBee数传网络中所需节点数目较少，网络覆盖范围不大。也可只用协调器节点和终端节点来构成星形拓扑结构的网络。协调器节点和终端节点的系统流程如图二、图三所示。
图二 协调器节点系统流程图
图三 终端节点系统流程图
在ZigBee协议中，OSAL任务系统维持网络的正常工作。OSAL首先初始化系统，然后通过osal_add_task函数添加任务到任务列表中。通过顺序的执行任务列表中的任务来完成整个系统的运行。
在ZigBee数传模块中程序是从main函数开始的，main函数的主要功能是完成初始化，然后再进入操作系统。
Main函数代码如下：
intmain(void)
{
osal_int_disable(INTS_ALL);//关闭中断
HAL_BOARD_INIT();//初始化一些相关硬件
zmain_vdd_check();//电压检测
InitBoard(OB_COLD);//初始化I/O端口
HalDriverInit();//HAL驱动初始化
osal_nv_init(NULL);//NV系统初始化
ZMacInit();//MAC初始化
zmain_ext_addr();//确定64位扩展地址
zgInit();//初始化基本NV条目
osal_init_system();//OSAL系统初始化
osal_int_enable(INTS_ALL);//使能中断
InitBoard(OB_READY);//最终初始化硬件
zmain_dev_info();//设备信息显示
osal_start_system();//任务系统（不会退出）
return0;//不执行
}
4 结束语
随社会经济和科学技术的发展，人们的物质生活水平不断提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分——智能家居ZigBee数据采集控制系统也越发显得重要。家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。基于无线ZigBee数传模块智能家居的核心控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。而基于ZigBee无线模块的智能系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化以及市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化。
摘要: 目前，随着工业生产自动化程度不断提升，温湿度等生产环境要素监控智能化程度也在不断发展。传统测量设备功能单一，采用线缆连接各测量节点，测量系统架设复杂，数据处理实时性不高。随着短距离无线通信技术、嵌入式技术和传感器技术的发展，工业现场测量系统的网络化、智能化得到快速提升。本文开发了基于ZigBee无线模块Mesh网络的温湿度测量系统，具有网络覆盖能力强、测量精度高、现场架设便捷、系统智能化程度高的特...
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近年来随着大棚农业的蓬勃发展，对农业生产的信息化管理成为了一个重要的研究领域。大棚温室内的土壤湿度、环境温湿度、叶面湿度等环境因素对农作物的质量以及稳产、高产有很大的影响。如何实时、有效地获取内部各种环境参数，为种植过程的科学灌溉提供数据支持，进而提高作物产量，增加经济收益，具有重大的意义。
针对上述问题，目前常用的方法是人工巡查和有线数据采集两种。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且难以保证数据的实时性与有效性。另一种是采用有线通讯的数据采集方式监测系统，其布线复杂，且受物理线路和环境因素影响大，成本高，不适于扩展。随着无线通讯的发展。以往的有线系统渐渐被无线监测系统取代，尤其是近些年我国GPRS，CDMA无线移动网络技术的发展以及ZigBee技术在我国的应用，使得开发一个廉价而低耗的无线系统成为易事。作为一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的双向无线传输技术，被广泛用于环境监测、交通管理、灾难预防等领域，也成为近年来数字农业研究中的热点之一。针对农业大棚环境监测的实际需求，研制具有多测点、多参数、可移动、使用便捷的环境监测系统具有十分重要的意义。
1 系统结构
大棚温室监测系统设计成三层网络结构：ZigBee无线模块传感器网络，GPRS网络和远程管理平台，系统结构如图1所示。无线传感器网络负责各种环境参数的检测和数据的无线传输；GPRS网络用于数据的转发以及与Internet无缝连接，远程管理平台可实现对数据的处理、分析、管理。
图1 系统基本结构图
为了减低成本，此处网关节点功能主要是实现ZigBee无线模块的协调器与GPRS模块间的通讯。使得协调器收到的数据能够通过GPRS模块传输到互联网上，以此实现远程监控。
无线传感器网络由若干终端节点，路由节点和协调器节点构成。带有的大量传感器的ZigBee数据采集终端节点和路由节点分别放置在大棚的不同地方，各个ZigBee数据采集节点负责对数据的感知与采集，数据以最短路径原则沿着其他路由节点逐跳地进行传输。每个传感器节点的覆盖范围必须包含另外两个节点，以防传输线路中有节点出现故障时，数据的传输中断。在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，多跳到每个簇的汇聚节点，然后传到网关节点。网关节点与远程的服务器采用经典的C／S模式阀实现通讯，使用者也可根据需要使用智能手机作为客户端，实现随时随地实时的收集大棚中的环境参数，并对数据进行分析处理。做出判断与决测。
2 网络节点设计
2．1终端节点的硬件设计
农业大棚中环境温湿度，二氧化碳含量等环境参数数据对于节点处理器的处理能力不需要很高的要求，且发送的数据量小。为了降低成本，本系统采用单片CC2530作为处理器，用于ZigBee数据采集和数据的无线通讯。电源模块则对整个节点的运行提供能源，以满足系统中不同模块对电源的需求，保证正常运行。节点硬件主要结构如图2所示。
图2 节点硬件结构图
2．1．1传感器模块
传感器模块主要由环境温湿度、二氧化碳等传感器等部分组成。土壤湿度传感器用于监测种植区域的土壤水分。
环境温湿度传感器用于监测生长环境中的温度和湿度，二氧化碳传感器用于监测温室中的二氧化碳含量，保证植物能在合适环境中生长。温湿度传感器采用SHTll传感器。它是由工厂校准，输出温度的分辨率为0．01℃，输出相对湿度的分辨率为0．03％。它提供全量程标定的数字输出。具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A／D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。它与单片机的接口也非常简单与ⅡC协议类似。
本系统中对C02含量监测有较高的要求，且传感器应受温湿度的变化小。这里采用MG811型的二氧化碳传感器，它主要实用与空气质量控制系统和温室二氧化碳浓度检测。二氧化碳传感器经过高输入阻抗放大器放大后接入单片机，利用CC2530内部自带的AD转换器进行模数转换。
2．1．2电源模块
网络节点中处理器CC2530需要3，3 V供电，而传感器模块和放大器等需要5 V供电。为了满足不同模块对电源的需求，以及节点的便捷性。我们采用多节1．5 V干电池供电，通过珊lll7输出所需的3．3 V和5 V电压。LMlll7是一个低压差电压调节器系列。其压差在l，2 V输出，负载电流为800 mA时为1．2 V。它有5个固定电压输出(1．8 V，2，5 V，2．85 V，3．3 V和5 V)的型号，此外它还提供电流限制和热保护。输出电压精度在1％以内。设计时输出端需要一个至少10 uF的钽电容来改善瞬时响应和稳定性。
2．1．3无线通讯模块
无线通讯模块主要采用CC2530芯片和低功耗射频前端CC2591，它主要用于功率放大，大大简化了射频电路的设计。
T1公司的CC2591是高性价比和高性能的24 GHz RF前端，适合低功耗低电压2．4 GHz无线应用，CC2591的输出功率高达22 dBm，集成了开关，匹配网络和平衡，不平衡电路，电感。
功率放大器以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2．4GHz ISM系统，无线传感器网络，无线工业系统，IEEE802．15．4和ZigBee系统，无线消费类电子系统和无线音频系统。CC2530与CC2591主要部分硬件连接如图3所示。
图3 CC2530与CC2591主要部分硬件连接图
当HGM为高电平，表示CC2591接收数据时，LNA是高增益模式；当HGM为低电平，表示CC2591接收数据时，LNA是低增益模式。而EN引脚和PA_EN引脚在CC2591正常工作时候置为高电平，当其进入低功耗模式时候，将其置为低电平，这样可以降低功耗。CC2530的l，0端口P1_1，P1_4，P0_3连接CC2591的HGM、EN、PA_EN引脚实现由单片机来控制CC2591。
2．2终端节点的软件设计
无线传感器网络节点的数据传输采用基于802．15．4标准的ZigBee无线传输协议，使用API操作模式。API操作模式通常应用于较复杂的网络传输，通过改变目标地址来实现点对多点的数据传输任务，传输结束后返回确认信息(或已发送成功，或发送失败)。接收数据时可以额外接收到发送端模块的发送信息，对节点进行远程参数配置后，实现整个网络信息系统的在线参数配置嘲，分配系统资源。
当协调器运行后，协调器便建立了ZigBee数传模块网络。周围的节点纷纷加入到网络中，当节点加入到网络中时。这里设置一些发送事件(如发送温度，湿度等数据)，在该事件中我们可以调用传感器的采集程序，处理完数据后便把数据发送出去。网络节点的工作过程大体如图4所示。
图4 节点的工作过程流程图
其中SendTheMessage()函数中调用传感器采集程序并对数据进行处理，然后调用AF_DataRequest()进行数据的发送。此外在sendTheMessage()函数中我们还对数据进行简单的判断，如果出现异常(如温度过高等)，设置osal_start_timerEx(GenericApp_TaskID，SEND_DATA EVENT，l000)；即1 S发送一次数据；而正常情况下为15 min发送一次数据。这种设计方法既能实现低功耗，减轻网络的通讯压力。不至于引发局部网络瘫痪的现象，还可以较好地保证实时性，提高信息可靠性。
3 网关节点设计
网关节点的主要任务是转发采集的数据。它一方面通过ZigBee数传模块协调器与传感器网络相连接，另一方面通过GPRS通信模块与Internett外部网络连接。实现两种协议直接的转换，发布远程数据中心的监测任务，也要把收集到的数据发送到与Internet网络相连的远程数据中心网。GPRS与Internet网络的无缝连接，可以达到数据连续传输的目的。网关节点主要由CC2530芯片模块、GPRS通信模块以及电源模块组成，其结构如图5所示。
图5 网关基本框架
GPRS通信采用华为公司的GTM900 PRS模块，它是当今市场上尺寸最小的三频GPRS模块之一，完美地支持语音通信和短消息方式通信的功能，可以用于实现实时通信与手机信息交互的功能，以便及时地处理情况。
GTM900内嵌的TCP/IP协议与Internet网络的协议相同，易与Internet网络相连，此外它支持AT命令操作，利用指令AT％LPOPEN=”TCP","219．136．10．247",00000便可建立与Internet连接，便捷了开发与使用。
4 管理软件设计
本系统的管理平台软件是基于．NET平台下开发，使用SOCKET套接字实现TCP/IP协议；运用C／S模式实现多点控制。首先是服务端设计，主要是用于数据的转发。当服务端收到来自于网关的数据时便转发给其他的客户端包括电脑客户端或者智能手机客户端。
5 实验结果
为了测试所搭建的系统的性能，本文选用5个网络节点，一个网关节点和笔记本电脑形成监测平台。实验数据通过网关传到上位机，在上位机上可以实时看到数据，实验显示，在树林里传输距离能够达到50 m，可以满足温室大棚环境监测的需要。其中服务端数据图6所示。
图6 试验中的服务端界面图
6 结论
本文针对温室大棚提高产量及质量的需求，设计了基于ZigBee无线模块传感器网络的环境监测系统，用于温室环境参数的实时ZigBee数据采集监测。着重介绍了，ZigBee数传模块传感器网络的体系结构、节点的软硬件设计以及通过GPRS技术远程传输。无线传感器网络利用节点功耗低、工作时间长、成本低等特点，实现在线监测，为科学的种植提供科学依据。
0 引言
桥梁在几十年、甚至上百年的使用过程中，结构长期承受交通荷载的作用，严酷自然环境的侵蚀，自然灾害和人为因素等的祸合作用，不可避免地导致桥梁结构出现各种损伤现象，抗力衰减，使得结构承受力与安全性降低，引发灾难性突发事故。全国规律普查结果显示，有相当一部分的桥梁存在不同程度的损伤，1951 年美国金门大桥在风速振动下造成桥体损伤，1994 年韩国圣水大桥段塌，台湾的高屏大桥拦腰断裂，还有我国的彩虹桥，宜宾南门大桥等一系列令人触目惊心的桥梁坍塌事故，提醒我们必须要重视桥梁的定期健康检测与安全评估，及危桥的损伤检测和监控，争取消除隐患。所以对桥梁进行定期维护和检修，对其健康状况进行监测和评价，掌握其健康状况是有重要意义的。桥梁结构的检测、监测也就成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。
随着传感器、通信、计算机、信号处理以及人工智能等技术的迅速发展，人们开始研究基于信息技术的桥梁结构健康监测系统，桥梁工程领域开始考虑一些能够在不影响桥梁结构正常使用状态下的可长期实时观测累积损伤状态的技术和方法，以便对服役期间的桥梁安全状况进行长期实时在线监测，为进一步的维护管理提供正确的决策。
1 绪论
1.1 无线传感器网络研究综述
1.1.1 无线传感器网络概述
传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成对被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理。随着它们的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、农业和宇航各个领域。这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络应用而生。
无线传感网络节点具有局部信号处理的功能，将传统的串行处理、集中决策的系统变成并行的分布式处理,提高了检测系统的运行速度和灵活性。另外,无线传感网络组成的分布式监测系统最大程度地减少了器件连线,减低了系统的搭建、维修费用和难度。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，能够协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络结构如图1 所示。
图1 传感器网络结构
1.1.2 Zigbee无线传感器网络应用于桥梁监测中的优势
Zigbee无线传感网络是当前国内外工程领域的研究热点，Zigbee无线模块节点具有功耗低、体积小、系统安全性高、稳定性、可靠性和实时性好的特点。将Zigbee数据采集技术应用于桥梁健康监测系统，有利于整个系统的小型化，低成本，智能化。通过Zigbee无线模块实现数据的采集和发送，可以提高系统安装的方便性和可移动性，并使监测系统可方便地应用于各种桥梁结构健康监测系统中。与传统监测手段相比，具有以下明显优势：
1）构成自组织动态网络，无需人工干涉自动组网，适应长期工作的需要。传感器可自动加入、断开网络，方便监测点位置的改变。
2）传感器节点数量大，分布密度高，使得网络数据采集量大，精度高增加了系统监测的精度和稳定性。
3）传感器节点具有无线通信能力，并且支持多跳技术，能实现健康监测的远程监测，减少现场布线的工作量，移动灵活。
4）健康监测中的监测对象不尽相同，传感器节点具备良好的灵活性，可以配接各种类型的传感器，满足监测的不同应用。
为了满足桥梁长期健康监测的要求，构建合理、高效的监测网络，充分发挥无线传感器网络的优势，选择合适的无线通信协议是至关重要的，本文选择Zigbee 作为无线环境监测网络的通信协议。
1.2.1 Zigbee 技术的特点
作为一种流行的无线传感器网络协议，相对于其他无线网络协议来说，Zigbee 协议具备很多自身的特点，这些特点保证了Zigbee数传模块 能够很好地运行在无线传感器网络的环境中，同时得到广泛应用。Zigbee 数传模块主要有如下的特点：
1）低功耗
2）低成本
3）通信可靠
4）网络的自组织，自愈能力强
5）网络容量大
6）低速率
7）近距离
8）数据安全
1.2.2 Zigbee 与其他几种无线通信协议的比较
表1 给出了几种无线通信技术标准的比较。可以看出，它们各有特点，也决定了它们的应用领域是不同的。
表1 几种主流无线通信协议比较
桥梁健康监测系统所传输的数据量小，传输速率低，要求传输设备成本低，功耗小，系统所使用的终端设备通常采用电池供电。Zigbee 技术更符合这些特点。
基于Zigbee 数传模块的无线传感器网络，具有功耗低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等特性。在固定的时间间隔传输数据的低速率特性，满足健康监测中，以一定的采集频率，进行周期性的Zigbee数据采集，将监测到的数据传送至监控中心进行分析和处理。相比其他无线网络技术，Zigbee数传技术更适合在桥梁健康监测中应用。
2 基于Zigbee 的无线传感器网络监测系统总体设计
2.1 桥梁健康监测要求
反映桥梁健康状况需要监测的内容指标很多，如果全面监测难免给健康监测系统造成硬件庞大、数据繁杂，处理数据不可靠等缺陷。因此在监测指标上，应根据桥型选择最能反映桥梁健康状况的指标。基于通常桥梁监测指标的选择是在基于“桥梁本身安全”的情况下，主要监测指标如下:
1）环境温度及桥上温度分布监测
2）主梁应力监测
3）挠度监测
4）振动监测
应力、挠度、振动、温度是对桥梁进行长期健康监测和健康评估的主要指标，对桥梁重点部位的这些指标进行实时监测有助于了解桥面系的受力状况，桥梁的刚度性能，间接反映桥梁的稳定性，并及时准确地提供桥梁结构的实际状态数据。便于及时发现桥梁的结构损伤与质量退化，对大桥的结构安全做出准确评价，保证大桥安全运营，并为桥梁维护、管理决策提供可信的科学依据。
2.2 桥梁健康监测系统的组成
一套结构和性能都称得上完整的桥梁健康监测系统是由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。
桥梁健康状况实时监测的系统构建如图2 所示，该传感器网络感知层由若干传感器节点、若干路由器节点、汇集节点和网关构成。
图2 实时监测的系统构建
感知层利用Z-STACK 协议栈构建传感器网络协议，各Zigbee数据采集节点采集应力、挠度、沉降等桥梁参数经过路由器节点发送数据至汇集节点，汇集节点（协调器）一方面创建并维护网络运行，另一方面把各节点传送的数据送入网关，网关通过GPRS 模块SIM300 将感知网络接入Internet，将数据通过Internet 传输至远程计算机进行分析处理，实现远程无线监控。
2.2.1 传感采集子系统
传感器节点采用TI 公司的CC2430 芯片为核心，结构如图所示，倾角、应变和沉降值等模拟信号送入到CC2430 中转换成数字量，再将这些信息通过天线发送至无线传感网络子系统。
图3 传感器节点结构
2.2.2 无线传感网络子系统
无线传感网络由天线和GPRS 组成。无线传感网络也称为网关节点，结构如图4 所示，网关节点当中的CC2430 以无线方式接收若干节点所发送过来的数据，将这些数据送到LM3S8962 里，ARM 板利用SIM300 接入Internet，把接收的数据通过Internet 发送到远程端。
图4 网关节点结构
终端监控子系统是整个系统中的数据接收、处理系统,主要由中继节点与用户应用软件组成,中继节点负责把整个网络的采集数据通过串口通信保存在数据管理系统的数据库内，实现数据的长期保存和备份，对结构状态的实时跟踪，实现结构信息的可视化和决策数据库的智能化。
3 其他关键问题
3.1 加强基础和试验
通过对各类桥梁的检测数据收集，并依据各类桥梁不同部位常见病害及其原因的分析，将现代测试技术和数学方法应用于桥梁安全评价之中，重点研究各类特征量与病害之间的关系及其门槛值的设置原则，建立常见类型桥梁安全的评价模型。
3.2 注重特征参量测量与监测设备的系统配置
桥梁承载能力状态的变化将直接影响其安全运营，如何测量桥梁关键部位的特征参量的变化，并根据所建立的评定模或评定标准值判断桥梁的运营状态及病害原因和程度，对桥梁的安全给出适应的评价，配置系列仪器对关键部位特征参数进行监测是桥梁状态(或健康或病害)评估的关键。
3.3 充分发挥专家系统的作用
根据桥梁状态监测结果，组织桥梁设计、施工、监测、维护、管理等专家，对桥梁安全监测与维护中的相关问题进行研讨与评价，并提出维护方案，或者由依据专家经验建立的桥梁状态监测、病害原因及程度、安全评价与维护等相互关联的专家系统进行桥梁安全评价并给出维护方案。
4 结束语
本文利用Zigbee数传模块实现了桥梁健康状态的Zigbee数据采集，由于Zigbee无线模块传感器网络系统由于没有了布线的束缚,使其可监测的范围大大得到了扩展。原来只能对大型结构的部分特性进行监控,对全局的特性只能通过一些算法进行推算或者根本无法获得。另外,在监控现场布线往往费时费力,还影响其他工种的施工作业。采用无线传感器网络系统能够在大范围的空间中监测大型结构的健康状况在局部作业时,布置监测点方便,也不会影响到其他工种的作业。另外无线传感网络组成的分布式监测系统最大程度地减少了器件连线,降低了系统的搭建、维修费用和难度,在未来的监测系统发挥重要的作用。
智能门禁系统，作为一种智能化的安全管理系统，不仅可以随时记录各类人员的操作情况，还可以根据用户等级来授予不同的访问权限，进而有效的制止非法操作。
近年来，国家电网提出了建设智能电网的要求，为了响应此要求，各供电分公司逐渐深入落实关于加强安全生产和变电站内重要设备的管理，关键在于如何有效地监控相关人员对变电站机柜内的重要设备进行各种授权的操作。众所周知，变电站机房等高压场所的通信和监控设备大都安装在机柜内，在日常维护中，进出人员比较多，要实现对机柜内的设备的智能化管理，防止非法闯入，机柜门禁系统应具有有效的手段进行监控，并且能最大程度的为管理人员提供全面、完整和精细的控制状态图，进而实现精细、准确、及时的管理。
但传统门禁系统难以满足上述智能化要求，其原因是机械式门禁系统防开启性能差，不便于集中管理；另一方面，基于CAN总线的智能门禁系统虽可进行集中管理，但控制器之间采用RS232等通信措施具有布线复杂、成本高的缺点。
文中提出了一种基于Zigbee无线模块的变电站机柜智能门禁系统设计方案。在应用中，将传统的钥匙管理转变为使用者权限登陆管理，控制器采集信号发布到上位机网络，以便高层次用户通过浏览器登陆查看与控制，有效地增强了变电站设备的安全性，系统采用Zigbee无线模块，解决了布线复杂、成本高的缺点，实现了变电站门禁系统的智能化管理。
1 机柜门禁系统工作原理
系统由上位机、主控器系统、分布的电子锁系统组成。其系统设计框图如图1所示。
图1 系统框图
上位机硬件是由一台工控机作为服务器，上位机软件基于LabView开发平台，通过Modbus协议实现上位机与主控制器系统之间通讯。用户通过密码登录上位机管理系统，可获取数据库中工作人员操作分布式电子锁的记录。操作人员通过控制器发送命令给控制器来获取各个锁的开关状况，进一步实现控制，并控制器获取到的信息记录在数据库中，发布到上位机网络；上位机设置使用者查看权限，以便同一局域网内的高层次用户通过浏览器登陆查看与控制。操作人员采用密码的形式登录控制器，利用按键实现控制器对电子锁状态查看和控制的命令发送。
控制器利用RS232协议与上位机进行通讯，与分布式电子锁间采用Zigbee数传模块通信网络。分布的电子锁系统以低功耗MSP430为控制器，使用继电器控制来控制电子锁的开关状态的转换。检测传感器来监控锁的状态并通过Zigbee模块将数据发送给主控制器。
2 机柜门禁系统实现方案
无线电子锁作为机电一体化的一种应用，系统集成了控制器、Zigbee无线模块、锁具等。其中主控制器类似于无线传感网中的汇聚节点，在分布式电子锁与上位机之间具有承上启下的作用。
2．1硬件电路设计
系统硬件电路设计主要有分布式电子锁和主控制器两个模块。分布式电子锁是以MSP430为核心的低功耗控制系统，采用Zigbee无线模块来实现与主控制器之间的通信，利用继电器控制电子锁的打开，检测传感器来监控锁的状态；主控制器通过键盘输入命令，运用Zigbee模块与分布式电子锁通信，查询锁的状态；最终，将结果传至上位机，发布至局域网内，供上层管理者查询，其硬件电路框图如图2所示。
图2 系统硬件总体框图
2．2低功耗设计
低功耗设计最重要的环节是控制芯片的选择，设计过程中不仅仅要考虑其功能和开发环境，还要注意控制器本身的功耗及其节能方法。分布式电子锁与主控制器的核心芯片采用TI公司的MSP430单片机。MSP430单片机是专为低功耗系统设计而研制的新型16位单片机，具有5种低功耗模式，中断唤醒时间为1us，既降低了系统功耗又可以对硬件请求和事件作出快速反应。结合MSP430单片机的多种节能模式，低功耗设计采取以下措施：
1)单独控制无线收发模块的电源开关，在通信时开启控制电源；
2)在电子锁休眠状态时，单片机处于低功耗模式。
2．3无线通信技术的方案
主控制器与分布式电子锁采用以NRF905为核心的Zigbee数传模块，避免了采用导线引起的信号衰减和干扰、线路复杂的缺点，同时可以满足体积小、功耗低、方便设计的要求。NRF905可以工作在433／868／915MHz频段，它由频率调制器，功率放大器，带解调器的接收器，晶体振荡器和调制器组成。在不加功放时，NRF905能在300m内正常通信，加功放之后，其通信距离可以增加到1 000m。采用NRF905的Shock Burst技术，能够很容易地识别地址，实现多机通信，简化了程序设计。此外，该Zigbee数传模块在通信时功耗低，节能效果显著，在发射功率为-10 dB时发射电流为30 mA，接收电流为12．5 mA，待机模式下电流仅为12．5uA。其电路如图3所示。
图3 无线收发模块硬件电路图
在射频通信中，PCB板的走线设计直接关系到整体的性能。在设计PCB时，应该重点注意铜箔走线都要采用微带传输线的设计原理，实际设计中采用了光电隔离模块，以减少反射引起的传输损耗，获取较大的输出功率和较高的接收灵敏度。
2．4主控制器工作实现
系统软件设计分为：分布式电子锁程序、控制器主程序以及上位机程序。其控制器主程序流程图如图4所示。
图4 控制器主程序
系统上电后，主程序首先完成初始化(中断、LCD、串口模块、Zigbee模块等)工作，接着进入待机模式，等待外部命令。当有操作人员需要进入控制房进行作业时，在主控制器输入密码，进入系统进行相应操作。主程序扫描到键盘输入后，判断与设定密码是否相符，如果正确则进入到控制界面，否则提示重新输入密码。
图5 发送子程序
在控制界面，操作人员可输入查看和设置分布式电子锁状态的相关命令；当检测到相关命令后，系统唤醒Zigbee模块，准备数据发送，系统跳转到发送子程序当中，其发送子程序如图5所示，当检测到需要发送数据时，对SPI接口进行配置，当检测到TRX_CE为0时，启动ShockBurst(RX)模式，系统发送数据，循环检测数据是否发送完毕，当检测到数据发送完毕后，系统返回主程序进入休眠模式。扫描是否有数据可以接收，当检测到有数据进行接收时，系统启动唤醒模式，进入接收子程序如图6所示。
图6 接收子程序
判断是否有同频载波以及地址是否相匹配，当载波频率与地址相匹配时，对载波检测电平进行置位，分布式电子锁发送数据，进行CRC校验，校验无误后，对数据进行提出直到数据接收完毕，最后返回主程序显示结果。
3 本系统设计的优点
1)操作简单、界面友好、适用性强。上位机采用LabView设计；主控制器的采用键盘控制，12864液晶显示，操作简洁，界面友好，如图7所示。
图7 控制器界面
下位机分布式电子锁稍加修改，添加其它传感器就可以应用于其它场合无线传感测控系统的开发设计，因此具有很强的适用性。
2)功耗低、可靠性高。系统设计充分利用了MSP430的低功耗模式，当电子锁处于休眠模式时，MSP430处于LMP3模式。使用Zigbee无线通讯技术，相对传统设计提高了系统可靠性，降低了系统的成本。
3)高效率、高利用率。采用MSP430和NRF905在不同模式下，控制电子锁，休眠时不作处理具有高效利用资源的特点，此外每个主控制器都可以控制120个分布式电子锁，充分利用了系统资源。
4)性价比高。设计任何一种产品，不仅仅要考虑其实用性，还必须考虑其性价比。越高的性价比就越有可能得到市场的认可。在本设计中，可以看到其成本比较低，而其功能(实时监控、远程通讯、控制管理、权限分配、风险管理等)比较丰富，系统具有很高的性价比。
4 结束语
文中基于Zigbee无线模块进行了变电站机柜门禁系统的设计。系统基于Zigbee数传网络进行信号传输，极大减小了系统的体积；采用MSP430芯片作为微控制器，降低了系统的功耗；合理的通信协议的设计以及PCB板的射频抗干扰处理，提高了整个系统的可靠性。应用结果表明，该门禁系统电路简单、效率高、性能稳定。此外，该系统可应用于智能养殖系统、森林防火系统等监控系统，具有广泛地市场应用前景。
通信系统是建设配电自动化系统的关键，借助可靠的通信手段，配电自动化将控制中心的指令下传到远方智能终端和各执行机构，同时，把智能终端（FTU/TTU）采集到的数据信息上传到控制中心。近年出现的ZigBee短距离无线通信技术，已被制造厂家采用，在配网自动化领域开始使用，本文就该技术在配网自动化的应用，提出一种结合光纤或其他通信方式，实现数据采集的应用解决方案。
一、ZigBee简介
ZigBee是一组基于IEEE 批准通过的 802.15.4 无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee无线模块以250Kbps 的最大传输速率承载有限的数据流量。
在标准规范的制订方面，主要是IEEE 802.15.4 小组与ZigBee Alliance 两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。ZigBee建立在 802.15.4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。
在MAC 层上，主要沿用 WLAN 中 802.11 系列标准的 CSMA/CA 方式，以提高系统兼容。
在网络层方面，根据节点的不同角色，可分为精简功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。RFD 的电路较为简单、容量较小。FFD 的节点能够提供数据交换，具备控制器的功能， RFD 只能从FFD 传送或接收数据。
图1 ZigBee无线网络的拓扑结构
二、ZigBee技术特点
ZigBee的突出优点是： 低功耗、低成本、低速率，ZigBee工作在20--250 kbps 的较低速率， 分别提供250kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz) 和20 kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
ZigBee数传网络在配网自动化领域应用方案相对于电力微波通信网、电力DDN 数字数据和公网等远程通讯技术相比，ZigBee无线模块技术通信距离较短，数据传输速率较低，不适合长距离大容量的数据传输应用。在配网自动化领域，配电终端设备如FTU、DTU、TTU 等，信息量比较小，在几十K传输速率情况下，也能够达到性能要求；这些终端设备安装位置分布于配电网络各种设备处，比较分散，有线网络覆盖比较困难，有时为了某一个终端通信接入需消耗较多的资金投入。若采用在一个区域内设置一个或几个ZigBee数传模块设备，与主站系统采用有线或无线公网通信，其它邻近区域的设备，采用近距离的ZigBee无线模块组成网络，通过该网络互联，实现ZigBee数据采集传输到主站的目的，可以省去很多麻烦。因此，ZigBee数传无线网络技术与其它通信方式结合，可以发挥ZigBee技术在通信容量、通信时延、通信可靠性、能量损耗上的优势，应用于配网自动化通信。
下面提出的无线ZigBee数据采集通信网络，是基于ZigBee数传模块并采用光纤网络进行数据通信无线网络，它是由大量的无线应用节点、中继节点和路由节点（光传输数据传输网关）组成的分布式系统。无线应用节点即配电网控制终端设备（FTU 等），中继节点也可以单独设置，也可由某个控制终端分担，路由节点是一个无线ZigBee和光端机的结合体，起到一个路由作用。每个应用节点成员都把数据传给路由节点，传输途径根据距离和网络状况，可能会通过中继节点转发；数据在路由节点融合后传给光传输设备。主站系统通过光纤网络与多个路由节点连接，路由节点和无线应用节点之间通过ZigBee无线模块技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线应用节点负责把数据传送给路由节点；主站系统通过光纤网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。
分布在通信网络中的路由节点主要用于接收无线应用节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给光纤网络再传递给主站系统。ZigBee路由节点在此网络中充当的是无线应用节点和光纤网络之间的路由。
图2 ZigBee无线网络通信
对于无线应用节点，内置的ZigBee无线模块能够根据网络检测状况，自动调整设备的发射功率，既能保证通信链路质量，又能做到消耗能量最小，在网络安全方面，对所传输的数据信息采用了密钥长度为128 位的加密处理。在配网自动化领域，许多场合采用基于GPRS/CDMA 数字蜂窝网络，从应用角度而言，存在使用成本较高、数据传输需要付费、系统的运行成本高、网络的自管理能力不高等缺点。
ZigBee无线网络是无使用费、采用免费频段、设备功耗低等特点，可以作为有线光纤通信的补充，尤其是配网大量设备组成无线通信网络，在资金占用、运行维护方面具有较大优势。
三、结语
ZigBee数据采集无线组网通信是当今工业控制、计算机应用等方面技术发展的一个热点，在电力配网自动化方面，也是各厂家和电力用户关注的热点，如何构建一个可维护性较高、具有高度安全性和成本低廉的通信网络，是配网自动化领域技术人员一直在寻求解决的课题。低功耗、低成本的无线网络ZigBee数传模块出现，以其高度集成化的软、硬件架构和产品特点，使电力设备厂家和电力局应用人员更快、更方便地进行最终产品设计和应用，相信会在电力配网通信方面发挥更大的作用
1． 引言
随着国内经济的迅猛发展，全国的大小城市也在迅速扩大，大量人口快速地涌入和人口出行的需求也出现几何的增长，这就导致了城市交通运输的日益紧张。发展公共交通是缓解城市交通运输压力的有效方法。我国目前使用最为广泛的公共交通工具还是公交车，因此利用科技发展智能公交是必然趋势。
为了能让更多的人选择公交出行，就必须改善公交的乘坐体验。这方面能做的工作有很多，其中智能报站功能是焦急等车的人们十分盼望的一个功能，能有效地提高乘车人的公交体验。众所周知，普通的公交站牌仅能为乘客提供公交路线信息，而乘客十分希望知道的车辆位置信息却没法提供。
于是，早期以GPS配合控制中心的智能公交系统应运而生：在公交车上安装GPS，为控制中心提供车辆位置信息；控制中心再通过有线网络或GPRS网络反馈到电子站牌，显示车辆到达的信息。这样的系统虽可以提供车辆位置信息，但是存在一个非常关键的不足就是系统成本太高：每辆公交车都必须安装GPS定位装置和无线数据传输系统，一条路线成本就是上百万，而且该系统由于城市交通运行的复杂性，车辆走走停停，它的预报时间也很不准确，影响乘车的体验。
本文所设计基于ZigBee无线模块智能公交报站系统使用ZigBee无线模块代替GPS定位装置，并且不用每台公交车配上一个DTU无线传输模块，而是一个站台配上一个DTU无线传输模块，这样能大大节省软硬件成本，费用只有原来系统的一半；而且本系统的报站是以告知乘车人下一趟车距离该站台还有几站的形式进行播报。所以可以做到报站精确无误。有了这两个关键的改进后就十分有利于该系统的推广和应用。
2． 系统组成
图1是智能公交报站系统的系统组成框图，它是一个三层结构。由三个部分组成，分别是公交监控中心，站台组件和车载组件。
图1 系统组成框图
公交监控中心通的主要功能是通过站台组件来获取车辆的到站、出站信息。通过综合分析这些信息可以对车辆的运行状况有清晰的了解，便于对公交车辆进行及时的管理、调度和维护；站台组件主要有三个功能。第一个功能通过DTU设备利用2G/3G网络接收上一站台的公交车辆进、出站信息，对这些信息进行处理以后，得出公交车辆距离本站台的距离信息。之后通过LED显示屏进行车辆的到站情况预报；第二个功能通过站台上的ZigBee无线模块和公交车辆上的ZigBee无线模块通讯来获取该站台的公交车辆进、出站时间信息，并且通过DTU设备利用2G/3G网络把这些信息传送给下一站点；第三个功能将获取的本站台公交车辆进出站信息传送给公交监控中心。
车载组件的主要功能是通过ZigBee模块向站台组件发送车辆进出站台信息。
2．1 ZigBee介绍
ZigBee译为"紫蜂"，它与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(SensorandControl)，由于其网络可以便捷地为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。具体来说ZigBee有以下优点：
①低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
②低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求。
③短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
④高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
⑤高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(AccessControlList，ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
⑥免执照频段：使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国)，868MHz(欧洲)，2.4GHz(全球)。
2．2 DTU设备介绍
DTU设备是本系统的一个关键设备，它起到了一个承上启下的作用，所以它工作的稳定性、可靠性就十分重要。本系统选用了在该领域的龙头企业广州致远电子有限公司所生产DTU设备，型号为：DTUZWW-36A。该设备有以下一些特点：
①工业级高速RS-232电平串行接口，最高波特率921600bps，超大数据缓存区设计（收发各10M字节），采用动态划分技术，高效使用缓存区。
②支持串口配置和USB接口配置，方便没有串口的计算机使用支持短信配置与维护。
③内嵌完备可靠的协议栈，数据全透明传输，用户无需了解复杂的TCP/IP、PPP等协议，支持数据中心动态域名或IP地址访问，支持备用数据中心和断线自动重连功能，并且连接时机可控功能，节约流量。
④支持本地和远程图形化向导式配置与维护，支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件，在主流组态软件中集成驱动，使用简便。
⑤使用工业级模块，+6V～+26V宽范围供电，多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行，可适应高温和低温工作环境，温度范围-25℃~+70℃。
2．3主控芯片介绍
车载组件和站台组件选择STC15F1K28AD芯片为主控芯片，管脚分布见图2。STC15F1K28AD单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。这款芯片有以下特点：
图2 STC15F1K28AD管脚分布图
①高速：增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快6～12倍。
②工作电压宽：可以5.5～3.8V之间正常工作（5V单片机）。
③内部高可靠复位：8级可选复位门槛电压，可彻底省掉外部复位电路。
④内置高精度R/C时钟，±1%温漂（-40℃～+85℃），常温下温漂5%，内部时钟从5MHz～35MHz。
⑤低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式/停机模式(可由外部中断唤醒）支持掉电唤醒的管脚：INT0/P3.2，INT1/P3.3。
3． 站台组件的硬件电路组成
本系统的电路很简洁，关键核心部件都选用成熟可靠的成品模块，其中站台组件和车载组件选用了相同的主控芯片和ZigBee数传模块，所以电路基本相同。
图3 探测部分的主控、测温和测光电路
本文以站台组件的电路为例进行说明。路设计时就没有外接晶振。利用稳压芯片ASM117S来提供5V电源。二极管D1是用来防止电源反接的。电容C1、C2、C3和C4是用来进行电源滤波的，其中需要注意的是电容要按照大小搭配使用的原则，这样能取得更好的滤波效果。电容C5和C6在布板的时候要紧挨着主控芯片，这样既能有好的滤波效果还能起到去耦作用。电阻R4和电容C7组合形成一个上电复位电路，用来对主控芯片进行上电复位。
3．2站台组件的无线接收和发送
图4 站台组件的无线发送和接收电路
电路图4所示的是站台组件的无线发送和接收电路。U3是ZigBee数传模块，利用该模块能够实现串口数据和ZigBee数据透明互传。R5、R6、R7、D1、D2和D3组成ZigBee数传模块的工作状态指示电路，分别用来指示无线网络的连接情况、通讯情况和网络质量信息。U4是看门狗芯片，通过和外围的元器件的配合来实现转换模块的上电复位功能和死机唤醒功能，R8是限流电阻，R9是上拉电阻，确保正常情况下看门狗不会复位。电容C8是看门狗芯片的电源去耦合电容。
U5是串口LED显示屏，要显示的文字和位置信息通过串口进入，就能在屏幕上相应的位置显示想要显示的文字。
U6是DTU设备，它将串口接收的信息传输通过3G网络传输给下一个站台和公交控制中心。
3．4主控模块的软件设计
在这模块的软件设计中我们首先要设计一个合理的通讯机制，那么需要考虑在实际应用场合中的几点特殊情况：
① 正常运行过程中，不应该不断地发送数据，减少道路无线干扰；
②公交站点节点采用电池供电，需要休眠，如果进入休眠状态的时间控制得不合理，那么很有可能错过与公交车的数据交互，为此，我们通过分析，来制定基站节点的休眠时隙。
③实际可用的交互时间：因为不同的ZigBee节点的通讯范围不一样，我们取一个例子作为分析样本，ZigBee数传模块，安装上2dbi的天线，信号单边覆盖范围为200米，考虑到公交车内的发送节点受到车体的阻隔，我们将单边覆盖范围缩短为100米，公交车的车速一般在50公里每小时以内，也就是13M/S，加上车进站会减速，粗略计算下来，至少有10秒钟的时间，可以和公交站台的节点通讯。考虑到公交站台节点要采用电池供电，公交车在运行过程中尽量不向外辐射信号，以及实际可用于交互的时间，本方案采用的机制如图5所示。
图5 模块工作时间图
基站每隔3秒醒来，广播发送三次信息，每次间隔100ms，公交车节点收到来自基站的数据就以100ms间隔不断发送本车的数据信息请求，直到站台节点回复数据，确认信号，才停止。数据交互的一个来回，时间可以控制在15ms以内，只要公交车节点碰上一个醒来的时间，就能完成数据交互，即使有多台公交车同时通讯。软件的设计是通过C语言来实现的，整个程序设计包括显示、接收、信息处理、收发等程序，限于篇幅这里只给出车载组件和显示组件的程序流程图，图6是探测部分的车载组件的流程图，图7是站台组件的程序流程图。
图6 车载组件的程序流程图
图7 主控部分的程序流程图
4． 结束语
城市智能公交系统随着快速公交系统BRT（BusRapidTransit）的普及，带来了新一轮的公交智能信息化，而乘借物联网的浪潮，智能感知、物物联网的技术运用也对智能公交系统跃跃欲试，本公交报站系统就正好迎合了这个趋势，它集中运用了3G、ZigBee和移动互联网等最新的技术，具有报站准确、成本低廉，维护简单等优点、具有广泛的市场前景。
引言在绿色环保理念的推动下，在发达国家的超市里开始出现用电子标签来取代传统纸质标签的趋势，到目前为止全球约有2500万个超市电子标签投入实际使用，而中国庞大的零售超市仍未开始大量采用，巨大的市场潜力摆在我们面前。
电子标签在国外应用已经非常成熟，家乐福、乐购、麦德龙、华堂等企业都在其海外的门店大量使用电子标签。至于国内电子货架标签系统在国内的零售业界的应用正处于起步阶段。
随着中国零售市场的日益国际化和电子货架标签系统本身的发展将逐渐被打破。
电子价格标签的将商品彻底数字化以及其时效性会引导新型商业模式的出现，基于此理念，设计出互动电子价格交互系统，希望能在下一代电商浪潮中得以应用。
本系统结合MSP430单片机、ZigBee协议以及电子纸和射频识别技术设计了电子价格交互系统的硬件体系和软件实现方法。主要解决如何在TI的ZigBee协议上无线自组织网络的实现，并与终端准确地进行数据传输，以及在实用性方面低功耗的控制。
1 系统概述
电子标签交互系统由商品采集及录入系统、POS系统、电子纸显示系统、RFID会员识别系统以及ZigBee无线网络构成。
其中，前两部分属于商场已有部分，该系统主要需要完成网络、显示以及识别的功能。如图1所示。
图1 交互系统组成
当商场决定大规模的调整商品价格，做一个短时促销的时候，只需要将更改的数据输入POS系统，ZigBee网络能快速地将变更的数据发送到每个货架以及每个商品的显示标签上，当消费者打算购买商品时，可以用会员卡锁定促销商品，此时详细的会员数据会通过ZigBee网络将数据回传给POS系统，当消费者结账离开的时候仍可以以促销的价格购买该商品。
电子价格交互系统还支持远程控制，POS系统可以通过网络对其连锁分部的商品统一标价管理。内部都存储有对应商品的多条信息，营业员可以借助智能手持终端设备方便地查询核对。显示价格数字，微处理器控制从标签到基站双向无线通讯，通过双向通信可以确认价格更改成功与否以及得知标签状态。鉴于近期来关于商品质量安全问题，毒牛奶、过期食品等，通过该系统能及时对商品进行监控并且能及时促销，在社会问题,方面能起到极大的促进作用。
每个商品的信息均录入在数据库中，商品数字化带来的好处不仅能对商品的数量以及保存状态实时监控，更可以在目前主流的B2O模式中应用，对一些线上的商家如何构建与实体店之间的关系起到了纽带的作用。
2 ZigBee 协议及其优势
2.1 ZigBee 协议概述
Zigbee数传是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，相比于蓝牙和无线局域网等无线通信技术，ZigBee数传技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的特点。
ZigBee数传模块应用范围非常广泛，包括智能建筑、医疗设备、智能家居以及各种监控系统，主要适合于自动控制、数据采集和远程控制等领域中，可以嵌入各种设备中，同事支持地理定位功能。采用ZigBee数传模块的网络可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
ZigBee协议栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。如图2所示。
图2 ZigBee 协议栈结构
2.2 ZigBee 技术的优势
ZigBee数传技术具有如下的优势：
（1）功耗低由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee无线模块设备非常省电。ZigBee无线模块设备仅靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其功耗远远低于其他无线设备。
（2）成本低与GPS相比，定位引擎在单芯片 ZigBee RF收发器中与MCU集成在一起，成本不及GPS硬件的1/10，功耗也只是GPS硬件的一小部分，并且ZigBee协议是免专利费的。
（3）时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。
（4）网络容量大，一个星型结构的ZigBee无线模块网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，组网方式灵活。随着ZigBee数传技术的成熟，未来ZigBee数传设备不断增多，可以利用具有ZigBee RF的设备或基础设施，容易组建ZigBee网络，降低了ZigBee无线模块节点设计和组网成本，且利用更多的ZigBee设备可以达到更高的定位精度。
3 电子标签交互系统的设计
ZigBee 数据采集节点大多由能量十分有限的电池供电，且长期在无人值守的状态下工作。由于传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，所以必须采用有效的节能策略降低节点的能耗，延长网络的生存期。
3.1 处理器模块低功耗设计
处理器模块中微处理器是ZigBee 无线传感器网络节点的核心。它进行ZigBee 数据采集并处理传感器数据，判决何时何地发送这些数据，并从其他传感器节点接收数据以及判定执行器的动作。
微处理器必须运行各种程序，包括信号处理、通信协议以及应用程序。由于微处理器要处理的数据非常大，所以它是网络节点中主要能耗的元器件之一。微处理器功耗主要由工作电压、运行时钟、内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高、运行速度越快，其功耗越大。为了增加节点的生命周期，在微处理器选取时，首先考虑超低功耗的微处理器，同时它必须支持多种工作模式，包括“运行”、“空闲”和“休眠”等。通过监测无线传感器节点的正常工作，可以发现节点在大部分时间内处于“空闲”状态，最好使其处于“休眠”状态。通过外部中断或定时中断，把需要工作的节点唤醒，进入“运行”状态。采用这种多工作状态技术来降低功耗是提高无线传感器网络节点能量效率的核心技术。此外，处理器的运行速度要尽量快，这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工作，从而快速进入睡眠状态，节省系统能源。
MSP430F449作为控制芯片，因其优秀的低功耗性能作为首选方案。该芯片能够在1.8V～3.6V的电压下工作；具有工作模式（AM）和五种低功耗模式（LPM）。在3V、1MHz时钟驱动下，各个工作模式下的供电电流典型值如表1所示:
表1 MSP430F449 工作模式与耗电电流
3.2 显示模块低功耗设计
由于TI公司的cc2530芯片自身就有低功耗的性能，故显示模块重点解决如何降低显示的功耗。
电子纸的载体是一张特殊的薄胶片，通过在胶片上“涂”上的一层带电的物质（电子墨），根据内容的不同进行后台控制，通过相应的显示组合以达到内容显示的目的。电子纸的内核就是一个广义上的IC，整个阅读器则可看作是一个薄薄的内嵌式遥控显示板。电子墨水就是将带正、负电的诸多黑白粒子，密封于微胶囊内，因施加电场的不同，在监视器表面产生不同的聚集，呈现出黑或白的效果。
E-Ink的电子纸由电子墨水及两片基板所组成：第一部分是电子墨水，有时被称为“前基板（front plane）”；二是使电子墨水生成文本和图像所需要的电子设备组合，包括控制部分和显示部分，被称为“背基板（backplane）”。背基板上面涂有由无数微小的透明颗粒组成的电子墨水，颗粒直径只有人的头发丝的一半大小。其特点是在反差、明亮度视觉等方面较理想，耗电低，重量轻而容易使其薄型化，形状自由等，当只有需要数据改变时才需要耗电，在日常正常显示时不需要耗电。与现有的led设备相比，在功耗的瓶颈下，无疑解决了最大的功耗问题。
图3 电泳电子墨水工作原理
电子纸技术已经成熟，尺寸和种类均有了多种选择，电子纸详细参数见表2。
表2 方案中电子纸参考设计
3.3 工作原理以及扩展部
当有新增商品是，首先需要将需要显示的商品信息输入到数据库中，同时给定匹配商品以及标签识别码，电子标签交互系统（ESL）读取服务器中的数据，服务器通过ZigBee数传网络发送商品信息，网络协议对数据进行加密、发送、接受、解密等流程，发送到控制芯片MSP430，如果数据校验结果正确，则进行显示刷新，错误则重新发送，工作原理图如图4所示在显示部分，通过实地调查了解到目前的应用情况是显示部分以及控制部分集成一体，每个商品都需要集成这两部分，大大增加了成本，而将一排货架的商品作为一个节点，每个商品赋予不同的地址，通过MSP430的SPI总线的方式控制电子纸显示屏，将控制部分与显示部分脱离，实现了一对多的工作方式。
图4 系统工作原理
4 结语
笔者设计了基于TI低功耗芯片MSP430以及CC2530的ZigBee无线模块综合方案，以及电子纸的应用，介绍了各个功能模块的原理。给出了一种具体应用的方案，对下一步该系统应用的一种设想以及商业模式。一般情况下，对于中型规模的超市而言，需要上万个节点才能做到全部覆盖，如何用一个节点覆盖尽量多的商品以及如何扩大网络容量，并且不影响到系统工作的高效性和可靠性将是项目下一步研究的问题。
0 引言
2009年国家提出了“智能电网”计划，并制定了建设“坚强智能电网”的时间表。“智能电网”将实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化的融合。智能化的变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，它处在智能电网的中心枢纽位置。对上接收着高压电网的电源输入，对下要完成变电站和用户的电源分配，并同时具备接受上级调度中心的信息传递、自动控制、智能调节和在线分析功能。因此，监测变电站运行参数有助于供电部门及时了解变电站的运行和用户用电情况，使智能电网更坚强。
本文针对智能电网的发展需求，设计了一种基于FPGA的变电站开关柜电能ZigBee数据采集系统，并进行了相关测试。
1 应用分析
1．1 SOPC及Nios II技术
SOPC系统是指用可编程逻辑技术把CPU、存储器等功能模块集成到一块芯片上，是一种特殊的嵌入式系统，具备了片上系统(SOC)和可编程系统的特点。可将工业自动控制系统、DSP、数字通信系统及数字逻辑技术融为一体，并具备软／硬件在系统可编程的功能。设计者可从三种由Ahera公司推出的Nios II嵌入式软核以及超过60个IP核中选择所需的功能模块，还可以自行设计所需的IP核。可根据需要调整嵌入式系统的性能及成本，使得产品快速推向市场，扩展了产品的生命周期，避免处理器的更新换代。SOPC及Nios II技术能够实现一块芯片中用一个或多个CPU去管理大量的逻辑电路，其具有的高性能、实时化、高度集成化、可重构、低开发成本等特点将成为未来嵌入式系统的发展趋势。
1．2 系统结构与采集终端构建
系统主要分为三部分，分别是基于FPGA的采集终端、ZigBee传输网络和数据中心上位机，其结构如图1所示。
图1 系统结构图
采集终端负责对变电站开关柜的电能信息进行采集和预处理，利用ZigBee的多跳技术将数据发送到数据中心上位机。数据中心完成对数据的分析处理，以图形和报表的形式显示最终的处理结果，并根据需要将数据存储。
这里主要对变电站开关柜的电能数据采集终端及ZigBee传输网络进行研究和设计。利用CycloneIII系列FPGA芯片EP3C25Q240C8N构建基于SOPC技术的数据采集终端的控制单元，采用低成本、低功耗和传输稳的ZigBee传输网络来传输监测终端采集的数据。变电站开关柜的电能信息数据采集终端是设计的核心，包括电压互感器(胛)／电流互感器(CT)、信号调理、信号采集(AD)、FPGA等电路的设计，其结构如图2所示。
图2 采集终端结构框图
工作过程如下：来自电矽电流互感器的信号首先进入信号调理电路，经过滤波、放大后送给AD，经过模数转换后的数字信号进入FPGA经过简单的预处理，最后将采集到的数据经过ZigBee无线模块传输给远端。
2 主要模块设计
2．1．基于SOPC的FPGA模块结构设计
采用SOPC技术的嵌入式系统内部模块的原理如图3所示。
图3 SOPC内部模块与外部模块连接图
此系统在一片FPGA上集成了采集终端所需的各种模块。各模块问都是通过SOPC内部特殊的Avalon总线结构来完成数据传递。这种交换构架支持多种系统结构，能够进行多路数据的同时处理，吞吐量大，可达到数据在各模块间最佳传递。
2．2信号采集及信号调理模块
电压(电流)互感器输出的往往是微弱的模拟信号。在输电线监测应用中放大器的选择主要考虑是低噪声和低失调电压放大器。这里选择有较小的失调电压和良好低功耗特陛的精密仪表运算放大器INA337作为信号调理用运算放大器，其中芯片的最大输出电压可以由R4和民来决定。信号调理电路如图4所示。
图4 信号调理电路图
2．3 AD转换模块
模数转换模块是数据采集系统设计的核心，其设计是否合理是决定整个系统是否能达到应用要求的关键。这里选取AD7656作为模数转换模块的芯片。AD7656是美国AD公司推出的一款16位同步采样高集成度的6通道逐次逼近(SAR)型ADC芯片。可以满足高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗的要求，目前在电力监控、仪器控制等系统中得到了广泛的应用。
2。4 ZigBee无线模块
系统中的采用新型第二代ZigBee收发器CC2530芯片来构建ZigBee节点。该芯片沿用了以往CC2430芯片构架，是用于IEEE 802．15．4／ZigBee和RF4CE应用的一个真正的SOC解决方案。它能够以很低的总材料成本建立强大的网络节点，结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051内核，系统内可编程闪存，8KB RAM和许多其他强大的功能。它还具有不同的运行模式，适应超低功耗要求的系统。为提高网络中协调器和路由器节点ZigBee无线模块传输性能，采用了CC2530+CC2591的芯片组合来延长现有ZigBee传输模块的通信距离。
3 软件设计
3．1基于Nios软核的控制流程设计
针对变电站开关柜电能数据采集终端的数据采集与传输流程图如图5所示。程序开始首先对系统的控制寄存器和一些外设进行初始化操作，再判断是否有中断信号以及判断中断类型，如是开关量中断则进入开关量控制模块；如是采集数据中断则将经传感器获得的模拟数据进人调理模块及A／D转换，在此模块中主要进行量程选择和将模拟量转化为数字量。同时将转换后的数字量存在SRAM存储器中，再由数据处理和运算模块对其进行处理与分析。处理和分析的结果再经过ZigBee传输网络传给上位机作进一步的处理。
图5 Nios软核的控制流程
3．2 ZigBee数传模块发送数据流程
系统具有变电站监测数据实时传输功能，通过ZigBee数传模块的软件设计来实现。节点上电后，监测设备和ZigBee RF收发器开始初始化。首先ZigBee数传模块要检查与ZigBee数据采集模块和路由器之间的通信。正常情况下，ZigBee无线模块开始发送数据。然后检查ZigBee模块发送数据是否成功，若不正确或不成功则重新发送。数据发送正确后，数据经协调器传至终端设备，由终端数据处理设备完成分析和显示功能。ZigBee发送数据流程如图6所示。
图7 三相有功功率变化曲线
4 监测环境与监测数据
4．1监测环境
为了验证本系统的可行性，选取了某煤矿变电站进行测试工作。该变电站采用单母线分段方式供电，两台变压器一供一备，容量为12．5MVA。上级进线电源为35kV母线，经变压器变为6kV母线为全厂负荷供电。6kV母线所带主要负荷为主井提升机、副井提升机、鼓风机、压风机、水泵、厂区照明以及井下负荷。监测时间为某正常工作日的08：00至00：30。
4．2部分实验数据和波形
系统在数据中心上位机设置分析软件，以报表和图形的方式对变电站开关柜电能信息监测数据进行显示分析。
图7 三相有功功率变化曲线
图7为截取的部分三相有功功率实时变化曲线。从图中可以看出，所监测的开关柜连接的负荷变化比较剧烈，剧烈持续的时间在两分钟左右。而一般情况下煤矿里的提升机是变电站的主要负荷，它的一个提升周期就在两分钟左右。结合图像数据所显示的变化情况，验证了该系统能适时监测到变电站开关柜中电能信息的实时情况。图中可以通过最大值和额定功率的比较，得知是否已经达到最大负荷。
5 结束语
将FPGA及SOPC技术应用于开关柜电能信息的采集，利用ZigBee无线模块进行数据传输，提出了具体的软、硬件设计方案与流程，并进行了传输测试实验。
测试结果表明，系统能够及时监测到开关柜的电能信息，便于作出及时处理。在传输实验中，ZigBee数传模块对所测得的变电站运行数据可以准确传输，展现了良好的传输能力。能够满足变电站监测实时数据的要求，实现了变电站监测ZigBee数据采集的无线化、智能化，方便工作人员及时掌握运行情况并做出相应调控，在智能电网中具有很高的应用价值。