MRF24J40的ZigBee網絡分析及在電氣監測中的應用

摘要：對于電力系統，在線監測的困難在于絕緣和強電磁噪聲。ZigBee無線通信技術為電氣監測提供了新思路。根據協議棧應用層的工作原理構造相應的原語結構，實現協調器網絡建立和終端設備的網絡連接。協調器建立的終端設備綁定表，能夠間接地將收發設備聯系在一起。在通過ZENA網絡分析儀器的綁定測試和電壓有效值、頻率采樣電路proteus仿真后，將硬件電路與ZigBee網絡結合起來，實現了電氣參數的在線監測。
關鍵詞：ZigBee；MRF24J40；綁定；無線監測

引言
ZigBee是一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。ZigBee的組網能力強，廣泛應用于無線傳感網、嵌入式的自動控制和遠程控制領域。ZigBee的協議棧由一組子層構成，由下至上依次是物理層、介質接人控制子層(MAC)、網絡層、應用層，并與單片機配合完成數據包裝收發、校驗、各種網絡拓撲、路由計算等復雜功能。
隨著用戶對電器智能化的要求越來越高，ZigBee技術需要傳輸更多的電氣參量和現場參量，其中電壓有效值和頻率是確保電氣系統穩定運行的重要參數。有線傳輸布線麻煩，會使電器結構復雜、成本增加、使用不方便，而采用ZigBee技術能夠很好地解決這方面問題。
本文以Microchip公司的PIC18LF4620為核心，硬件收發電路采用MRF24J40芯片，結合ZENA網絡分析儀器對ZigBee設備間的綁定和數據請求進行監控，測試終端將電氣參數發往其他設備。

1 ZigBee協議棧結構和原理
ZigBee協議棧的分層結構中，最下面的兩層是介質接入控制子層(MAC)和物理層，這兩層是由IEEE 802．15．4定義的，而上面的網絡層和應用層才是由ZigBee聯盟定義的。網絡層(NWK)負責設備到設備的通信，并負責網絡中設備初始化、消息路由和網絡發現；而應用支持子層(APS)可使用NWK提供的服務，實現數據傳送和安全等服務。此外應用層還可以通過ZigBee設備對象(ZDO)進行網絡層配置和訪問，提供設備發現、服務發現和綁定管理服務。用戶程序則通過240個端點與APS對接，實現用戶功能。實現ZigBee任務的關鍵就是在應用層或者ZDO層中配置原語，單片機的任務就是不斷地執行各種ZigBee協議棧任務。

2 ZigBee硬件和軟件設計
2．1 ZigBee硬件設計
ZigBee相關的硬件設計包括兩方面：一是以MRF24J40和PIC18LF4620為核心的射頻電路；二是提供ZigBee網絡分析的ZENA電路板。
MRF24J40的硬件電路包含去耦電路、平衡-不平衡變換電路和時鐘振蕩電路。與單片機相連的則是4線的串行SPI接口，它有中斷、喚醒和復位功能。用戶應用程序通過端點服務接口傳到APS，再依次往下傳至物理層，最后通過SPI控制MRF24J40將數據通過天線以電磁波形式發送出去，接收方的天線收到數據后則將數據逐層向上傳遞，請求應用層處理。在進行組網時至少需要3個這樣的最小系統板，其中一個作為協調器，另兩個作為終端設備或路由器。
ZENA電路板的核心是PIC18LF2550和MRF24J40，MRF24J40用于接收空氣中的電磁波并傳給單片機處理，最終通過USB傳輸到計算機中。而ZENA網絡監視窗口就是該USB對接的界面，這樣通過天線接收到的數據被還原成幀的形式顯示出來，由此就可以判斷ZigBee設備發送的數據是否正確。
2．2 ZigBee軟件設計
ZigBee協議棧是通過下層的服務完成自己的功能，同時對上層提供服務。網絡通信是在對等的層次上進行的，而這些服務是設備中的實體通過發送服務原語來實現的。原語中又包含很多參數，構造應用層的程序其實也就是對該服務相關的原語參數進行賦值。綁定的原語為：
APSME-BIND．request{SrcAddr，SrcEndpoint，Clusterld，DstAddrMode，DstAddr，DstEndpoint}。
該原語最前面的APSME表示這是一個APS服務原語，因此在執行ZigBee任務時將被送到APS．c文件執行。原語里的參數依次表示發送該原語設備的源地址、哪個端點發送該原語的、哪個簇標識符與目的設備綁定、目的地址模式是64位物理地址還是16位網絡短地址、目的設備的地址值，以及將被送到目的設備的哪個端點執行。因此要向某設備發送綁定請求，首先要定義好使用哪個端點和簇ID來執行，并且要知道自己和對方的地址，對各參數賦值完畢后就令currentPremitive=APSME_BIND_request，設備就成功發送綁定請求了，并等待后續響應。

3 電壓采樣電路和測頻電路
由于電力線路是高電壓的交流電，而PIC18LF4620只能采樣小于3．3 V的直流電壓，因此線路的電壓都要經過變壓器或互感器降壓后再經過絕對值線路整流。本文選用電流型的精密微型電壓互感器HPT304，互感器應用電路如圖1所示。通過運算放大器輸出，二次負載基本為0。被測的輸入電壓VIN通過限流電阻RIN限流，產生的0～2 mA電流通過微型電壓互感器。HPT304感應出相同的0～2 mA。通過運算放大器可以調節反饋電阻R值在輸出端得到所要求的電壓輸出，而電容C及電阻r是用來補償相位差的。限流電阻RIN要有足夠大的功率。