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摘要：针对电力基建、生产现场作业随意性强、信息化管理水平低的不足，本文基于ZigBee技术的无线通信技术，分析了ZigBee技术特点与工作原理，阐述了在电力信息化中的应用与试验效果。
关键词：ZigBee；无线通信；电力信息化
电力信息化是信息化技术在电力工业中的全面应用，包括电力生产信息化和电力企业管理信息化两大部分。电力生产信息化通过信息化采集、自动控制和处理大幅度提高生产效率和工作质量。电力企业管理信息化通过信息在线采集、分析和处理实现办公自动化。随着“三集五大”管理体系的建立，实现电力流、信息流和业务流的高度一体化成为电力信息化的主要方向[1]。现场作业管理信息化是电力信息化的重要组成部分，本文以基于ZigBee技术的无线通信技术在电力信息化中的应用为题进行了探讨。
1ZigBee技术特点与工作原理
1.1关于ZigBee技术
ZigBee技术是一种以IEEE802.15.4为基础的无线通信技术，本意为蜜蜂之间传递信息的方式。ZigBee模块类似于移动网络基站，通过大量无线模块组成无线网络平台，并在所覆盖的无线网络内互相通信[2]。
1.2ZigBee的技术特点
ZigBee通常工作在2.4GHz、868MHz、915MHz三个频段，我国一般采用2.4GHz频段，欧美国家多采用后两个频段。作为无线通信技术，ZigBee技术具有以下突出的优点：（1）功耗低。ZigBee终端节点采用两节5号电池供电，工作电流仅为几十mA，休眠状态工作电流更低至微安级别，而且ZigBee工作时间很短，所以耗电量很小，两节5号电池至少可使用半年以上。（2）成本低。ZigBee网络协议简单，而且ZigBee芯片一般基于8051单片机内核，所以成本很低。（3）容量大。ZigBee既可使用64位IEEE地址，又能使用16位网络短地址，一个单独的ZigBee网络理论上可容纳65536个设备。（4）可靠性高。ZigBee采用IEEE802.15.4协议，并采用带时隙或不带时隙的载波检测多址访问/冲突避免机制，再结合确认和数据检验等措施，所以数据传输具有很高的可靠性。（5）时延短。ZigBee对时延敏感性做过优化，从休眠状态下激活仅需15ms，加上搜索时延30ms，信道接入时延15ms，总时延也不超过100ms。（6）组网灵活。ZigBee既可组成星形网，也能组成树形网和网状网；既可以单跳，也支持多跳。（7）速率低。ZigBee在2.4GHz频段下最大只能提供250kbps的数据传输速率，另两个频段的传输速率更低。
1.3ZigBee无线通信网络的建立
利用ZigBee可组建低速率的无线个域网，网络节点成员有两种功能设备，第一种为全功能设备（FFD），第二种是简化功能设备（RFD），前者能实现IEEE802.15.4协议中的全部功能，后者只能实现保障通信的最基本功能。按照提供的用途分类，ZigBee网络设备由协调器、路由器和终端设备组成。协调器是整个网络的核心，负责搭建网络并对网络节点进行配置，它需要始终在线，并能承担所有功能，所以协调器必须是FFD。路由器作用是发现新节点、转发信息和允许新节点接入，所以也必须是FFD。终端设备是通过协调器或路由器接入网络的节点设备，主要工作是收发指令，多数时间处于休眠状态，以减少电池耗电量，可采用RFD，但需全功能的场合应采用FFD。按照各设备在网络中的逻辑位置，网络结构分为星形网、树形网和网状网三种拓扑形式，如图1所示。
图1ZigBee网络三种拓扑形式
在星形网结构中，所有终端设备只能与协调器进行通信，而终端节点之间不能直接相互通信，需要通信必须经协调器转发。树形网其实由一个协调器与多个星形网结构连接而成，终端节点既能与协调器通信，也能与具有路由功能的节点通信，但任意两个通信节点之间的路径是唯一的，在通信链路上的任一节点故障都会影响通信的畅通。网状网允许网络中具有路由功能的节点相互通信，由于通信路径有多种选择，所以组网和通信可靠性优于树形网。
1.4ZigBee的通信机制
ZigBee的无线通信机制是基于IEEE802.15.4协议标准而建立起来的。网络中层与层的通信方式需要各层协议来确定，所有层协议之和称为协议栈。ZigBee根据IEEE802.15.4标准可确定4层协议栈，如图2所示。
图2ZigBee的协议栈结构
最底层为物理层（PHY），主要规定了物理传输通道与上一层（媒介访问层）之间的连接转化方式。ZigBee的工作频段和数据传输速率也由物理层来确定。该层还提供了设备激活与关闭、信道能量检测、空闲信道评估、接受帧链路质量检测、数据收发等功能。媒介访问层（MAC）主要用于处理上一协议层无线信道的接入问题，如协调器产生的网络信标、信标同步、信道访问机制等；在物理层实体服务与MAC子层数据服务建立接入点。网络层（NWK）主要解决两方面问题，一是为应用层提供合适的服务接口，二是为媒介访问层提供合适的操作函数。应用层（APL）主要负责业务发现、设备发现、业务数据流汇聚、安全与鉴权等。上述4层中的每一层向其上层提供数据和管理服务，各层按照协议运行才能有效完成ZigBee无线通信活动。
2ZigBee技术的无线通信技术在电力信息化中的应用
2.1应用背景
虽然电网企业开展信息化管理的时间不短，而且也取得了卓有成效的成就。但目前信息化管理远未延伸到现场作业管理环节，实际上主要是通过施工前后填写纸质文件的行政手段进行管理。随着电网基建规模的扩大、工作内容的复杂化，这种管理方法已难以适应现场管理要求[3]。为此，决定采用一种基于ZigBee技术的无线通信技术手段，通过固定安装与人员携带相结合的方式组建无线传感器网络，利用ZigBee节点自定位技术强化人员位置信息的跟踪，实时监控人员工作状态、安全情况，以细化现场作业的标准化、程序化管理，确保现场作业“可控、在控”[4]。
2.2试验方案
现场作业信息管理系统由无线数据采集终端、网关（协调器）和上位机组成，系统结构如图3所示。
图3应用方案系统结构
无线数据采集终端包括参考节点和盲节点。参考节点是已知位置坐标数据的固定节点设备，盲节点是人员身上携带的移动节点设备。网关（协调器）是组网的核心设备，一方面它要与终端设备进行无线通信，定时或实时定位人员位置坐标；另一方面通过RS232串口线与笔记本电脑相连，随时接受上位机的指令。从图3中可以看出，系统采用了星形网拓扑结构。这是一种辐射状网络，优点是网络结构与路由简单、配置成本低，虽然灵活性不如树状网和网状网，胜在调试、维护简便，因为终端节点之间不需要通信，所有通信都需要经过网关（协调器）进行。
2.3设备选型
通过对各型号ZigBeeSoC芯片参数的比较，决定采用CC2430/CC2431芯片作为本应用方案的无线收发芯片。本试验中人员身上携带的终端设备需要跟踪定位，所以选用具有跟踪定位引擎的CC2431芯片，而固定终端和网关（协调器）既可以选择CC2431芯片，也可以选择CC2430芯片。此外，网关（协调器）上电后必须始终在线，所以需采用全功能设备（FFD），而终端设备可采用简化设备（RFD）。根据ZigBee组网原则，一个ZigBee网络中只能有一个协调器；终端设备理论上可以有65536个，但网络太大会加重系统负担，并拖慢运行速度，行业推荐星形网结构节点数量最好不要超过256个，有鉴于此，本试验方案设计了5个固定节点、1个盲节点和1个协调器。其中盲节点采用CC2431芯片，固定节点和协调器采用CC2430芯片。
2.4工作模式选择
ZigBee无线传感器网络的工作模式分为信标模式和非信标模式。前者由协调器以广播方式每隔一定时间（例如间隔4～15ms）向网络发送信标帧，相邻信标帧之间有时槽（一般有16个），时槽内有网络活动时段和网络休眠时段，发送消息是在网络活动时段；后者由终端设备作为信息发起点，这样终端设备就能实现周期性的休眠，终端设备苏醒后确认自己在网络中后就可以进行通信和定位了。为了提高反应速度，同时又要减少终端设备电池能耗，本应用采用非信标模式。在这种模式下协调器由直流电供电，并保持长期在线状态，通过设置终端设备休眠周期时间取得定位灵敏性与减少电池用电的良好平衡。
2.5开发平台与环境配置
开发平台采用IAREmbeddedWorkbenchFor8051v8.30，这是一种嵌入式应用开发工具，可针对ZigBee2006标准以及IEEE802.15.4协议进行无线传感器网络的设计开发。由于上位机配置ZigBee网络节点采用的是MAC地址，为了查询或设置MAC地址要用到SmartRFFlashProgrammer这个工具。ZigBee协议栈采用ZStack-CC2430-1.4.3-1.2.1版本。CC2430/CC2431芯片烧录采用CCDebugger。
2.6硬件与软件设计
硬件与软件设计详见笔者“基于ZigBee的数据采集与无线通信系统设计”这篇文章，本文不再赘述。
2.7系统调试
设备准备就绪后，将待调试设备与CCDebugger相连，而CCDebugger通过MiniUSB线与电脑相连。利用SmartRFFlashProgrammer设置网络节点MAC地址，先将所有节点MAC地址恢复为缺省值，然后再为各个节点重新设置MAC地址，要求所有节点的MAC地址不得重复，所以最好使用出厂默认地址。节点程序下载采用IAREmbeddedWorkbench。试验选择一个空旷的场地。由于电力现场经常有高空作业，节点位置应采用三维坐标形式，选择地面一点作为坐标原点（0.0，0.0，0.0），再选择4个方位、距离、高度不同的点作为参考点，坐标为（），盲节点测量坐标（）可变。调试时，先打开网络中的协调器，然后是参考节点，最后为盲节点。依次配置节点参数后进行盲节点定位。试验时，盲节点移动10次，记录10组数据。定位算法采用高斯滤波结合改进的三边测量法。定位误差按计算，（）为实际坐标值。经过统计和分析数据，10次测量定位平均误差值为0.37m，表明试验取得初步成功。
3结语
本文基于电网发展对电力基建、生产现场管理提出的新要求，提出基于Zigbee技术的无线通信技术应用方案，初步试验结果表明该方案具有较好的定位精度，能够在现场管理中发挥积极作用。接下来将深入分析该套系统运行特性，结合现场作业管理的新特点，制定运维导则和反事故措施，为推广应用奠定基础。
参考文献：
[1]马睿.深化电力信息通信系统一体化管理模式[J].中国电力企业管理，2015（7）：72-73.
[2]青岛东合信息技术有限公司.Zigbee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[3]刘珺.基于农电一体化平台配电网现场作业管理系统设计与实现[D].北京：华北电力大学，2016.
[4]沙伟燕.宁夏电网生产管理系统移动作业管理平台开发[J].宁夏电力，2014（2）：16-19.