基于Zigbee协议的SOFC无线监控系统_胡刚

总第２７１期２０１２年第５期计算机与数字工程Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　＆Ｄｉｇｉｔａｌ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．４０Ｎｏ．５１５５基于Ｚｉｇｂｅｅ协议的ＳＯＦＣ无线监控系统＊胡　刚　汪　鑫　李　曦（华中科技大学控制科学与工程系　武汉　４３００７４）摘　要　固态氧化物燃料电池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ，ＳＯＦＣ）因其高效率、零污染而被誉为２１世纪最有潜力的发电技术之一。

文章针对ＳＯＦＣ实际运行需要，研发了一种基于Ｚｉｇｂｅｅ无线传输协议的远程监控系统；介绍了基于Ｚｉｇｂｅｅ协议的ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ　ＲＦ模块的使用方法；利用ＰＬＣ做数据采集，随后ＰＬＣ和ＰＣ间通过串口通信得到采集到的数据，最终在两个ＰＣ机之间利用Ｚｉｇｂｅｅ无线传输进行通信，从而构建了ＳＯＦＣ的无线远程监控系统。

关键词　固体氧化物燃料电池；Ｚｉｇｂｅｅ无线传输协议；ＰＬＣ；ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ无线传输模块中图分类号　ＴＰ３９３Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＳＯＦＣ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｚｉｇｂｅｅ　ＰｒｏｔｏｃｏｌＨＵ　Ｇａｎｇ　ＷＡＮＧ　Ｘｉｎ　ＬＩ　Ｘｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　ｉｓ　ｋｎｏｗｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　２１ｓｔ　ｃｅｎｔｕｒｙ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｈｉｇｈ　ｅｆ－ｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｚｅｒｏ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＳＯＦＣ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｚｉｇｂｅｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ．ＴｈｅＸＢｅｅ　Ｐｒｏ　ＲＦ　ｍｏｄｕｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｚｉｇｂｅｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＳＯＦＣ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＰＣ　ａｎｄ　ＰＣ．Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　ｓｏｌｉｄ　ｏｘｉｄｅ　ｄｕｅｌ　ｃｅｌｌ，ｚｉｇｂｅｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＰＬＣ，ＸＢｅｅ　ｐｒｏ　ＲＦ　ｍｏｄｕｌｅＣｌａｓｓ　Ｎｕｍｂｅｒ　ＴＰ３９３１　引言ＳＯＦＣ具有高效率、零污染、无噪音等特点，它可为民用、商业、军事和交通运输等提供高质量的新能源。

这一技术的成功应用对于缓解能源危机、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义［１～４］。

ＳＯＦＣ燃料电池要正常运行，除了电堆内部材料、结构的改进，控制算法的完善外，综合运用测控技术开发一个有效的外围管理系统对ＳＯＦＣ系统的正常运转也很重要。

ＰＬＣ具有可靠性高、适用性强、维修方便等特点，在当今工控领域中广泛使用。

Ｚｉｇｂｅｅ技术是一种非常有潜力的短距离、低速率的无线通信技术。

Ｄｉｇｉ公司的ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ模块体积小，功耗低，接口简单，容易使用，非常适合于低数据速率的短距离通信应用［５～６］。

在本文中ＰＬＣ作为下位机采集实际的各变量，一台ＰＣ机作为终端监控机，另一台ＰＣ机作为远程监控机，终端监控机和ＰＬＣ之间进行串口通信，终端监控机和远程监控机之间通过Ｚｉｇｂｅｅ无线通信来传输数据。

在实际运行过程中，尤其是楼宇使用的ＳＯＦＣ分布式发电系统，由于各楼栋之间一般不容易铺设专用电缆，利用Ｚｉｇｂｅｅ组网具有巨大的优越性。

文中设计了ＰＣ机与ＰＬＣ间的串行通信，并结合Ｚｉｇ－ｂｅｅ的ＡＰＩ协议设计了自己的ＰＣ间通信协议。

同时基于监控对象和燃料电池的原理，设计了实时监控、历史数据和图像显示部分。

最后在实验室中搭建试验系统，实现了ＰＣ机与ＰＣ机的Ｚｉｇｂｅｅ通信，在ＰＣ机上设计了友好的人机监控与管理界面。

搭建的实验系统可以良好的运行，并能够达到对数据进行监控和管理的预期目的。

２　ＳＯＦＣ系统简介为了建立ＳＯＦＣ无线监控系统，我们有必要对ＳＯＦＣ系统工艺结构进行介绍。

其工艺结构如图１所示，ＳＯＦＣ系统主要由２级热交换器、电平衡器和电堆组成［７］。

本文中主要对电堆的温度，燃烧室的温度，以及空气流量、甲烷流量、氢气流量、氮气流量进行监控，其它监控量根据实际情况，在以后的系统中添加或删除。

本文中，通过ＰＬＣ对监控量进行采集，再通过Ｚｉｇｂｅｅ无线通讯传送到ＰＣ机上，实际的系统架构如图２所示。

３　ＰＬＣ端的数据采集和传输ＰＬＣ采用深圳和信自动化技术有限公司产品“Ｔｒｕｓｔ－ＰＬＣ　ＣＴＳＣ－１００”，利用ＰＬＣ上的自由通信口（ＦＰｏｒｔ）进行基于用户自定义协议的串口通信［８］。

自定义协议的工作主要是实现ＰＬＣ与下位ＰＣ之间的双向信息传递，即ＰＬＣ将其采集到的模拟和数字数据发送给下位ＰＬＣ，其中终端监控机作为主机，ＰＬＣ只有收到了终端监控机的请求后才开始发送数据。

终端监控机和ＰＬＣ之间通过专用ＰＣ／ＰＰＩ电缆进行转＊收稿日期：２０１１年１１月５日，修回日期：２０１１年１１月２９日１５６　胡　刚等：基于Ｚｉｇｂｅｅ协议的ＳＯＦＣ无线监控系统第４０卷接，其后的通信就变为普通的串口通信。

这里由于不是本论文介绍的重点，对于具体的串口通信不做具体的介绍，用终端监控机的目的主要是：１）实际系统中为了方便使用，在ＳＯＦＣ电堆处需要布置一台ＰＣ监控机；２）ＰＬＣ是专用的通信协议，难以破解，本文利用终端监控机可以通过ＰＰＩ电缆直接得到ＰＬＣ的数据。

图１　系统结构图图２　监控系统架构４　基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ模块简介ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ模块是美国Ｄｉｇｉ公司推出的一款基于Ｚｉｇ－ｂｅｅ技术的短距离无线通信模块［９］。

ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块的基本性能参数如下：发送功率：５０ｍＷ；接受灵敏度：－１０２ｄＢｍ；室内传输距离最大为９０ｍ，室外传输距离最大为１６００ｍ；在３．３Ｖ电源下，发送电流峰值为２９５ｍＡ，接收电流为４５ｍＡ；在网络性能方面，有ＤＳＳＳ（直接序列扩频）功能，每个信道可以有６５，０００个独立网络地址。

可以组成点对点、点对多点以及对等网［１０］。

ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块体积小，功耗低，接口简单，其传输距离适合于小区ＳＯＦＣ发电的要求。

为了方便用户使用，ｄｉｇｉ公司还提供了免费的Ｘ－ＣＴＵ软件供我们测试和配置网络。

同时ｄｉｇｉ公司还为我们提供了固件升级服务，可以随时免费将固件升级为最新版本，方便开发使用。

实际使用时候ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块的无线通讯口也很方便。

ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块中集成了一个ＵＡＲＴ接口，其内部结构如图３所示，通过这个借口，我们使用Ｚｉｇｂｅｅ无线传输芯片，就和使用串口一样简单。

先把串行数据通过ＤＩＮ引脚送入ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块中，数据会储存在ＤＩ缓冲器中，随后发送器通过天线把数据发送出去；接受数据时，天线收到ＲＦ数据后，先将数据送到ＤＯ缓冲器，然后在通过串口送出。

５　双ＰＣ间的Ｚｉｇｂｅｅ通信ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块传送数据有两种模式，一种是ＡＴ模式，一种是ＡＰＩ模式，ＡＴ模式是一种透明的传输方式，模块之间传递就如同串口一样，两个模块之间仅仅是取代串口线的作用，但是无法保证传输的效果。

ＡＰＩ模式是应用程序接口方式，工作在ＡＰＩ方式时，所有进出模块的数据均被包含在特定的数据帧结构中。

为了方便程序编写和数据传输的可靠性，本设计采用ＡＰＩ模式。

图３　ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ模块内部数据控制流程图４　ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ模块在实验过程中，每台ＰＣ机分别与一块装有ＸＢｅｅ　ＰＲＯ芯片的底板相连，模块装置如图４所示。

该底板也是独立设计。

在系统使用前，我们先用Ｘ－ＣＴＵ对模块进行配置［１１］。

Ｘ－ＣＴＵ的配置界面如图５。

在Ｚｉｇｂｅｅ网络中首先要有一个协调器（Ｃｏｏｒｄｉ－ｎａｔｏｒ），其他的节点都设置为路由或者终端（Ｒｏｕｔｅｒ／ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）。

其次统一好信号通道并把芯片都设置为ＡＰＩ模式。

配置好之后就可以实现Ｚｉｇｂｅｅ通信了。

图５　Ｘ－ＣＴＵ界面ＡＰＩ模式下所有的数据都被封装于一种结构化的数据帧中，下面以终端监控机发送帧为例进行说明［１２］。

示意图如图６所示，其中起始符为０ｘ７Ｅ，所有的ＡＰＩ数据帧都是以这个起始符开头。

起始符之后是数据帧长度信息，它的值是所有从数据帧长度字节到校验码之间所有字节数的十六进制数值。

随后是ＡＰＩ数据部分，这部分是真正的数据信息。

最后部分是校验部分，它的值为０ｘｆｆ减去所有数据部分累加和。

２０１２年第５期计算机与数字工程１５７其中数据部分又分为以下部分：０ｘ１０是帧类别号，０ｘ１０表示是数据发送帧，该位的不同说明该数据帧的功能也不同。

随后的０ｘ１０表示是有回复的帧，紧随其后的是发送目的的物理地址和网络地址，每个ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块都有唯一的物理地址。

随后的两个字节设置为默认值就行了。

此后的数值就是笔者二次开发的简单协议。

其中０ｘ５２，０ｘ６２使我们自己定义的功能码，功能码后面是笔者要传送的各种变量。

为了保证传送过程中的顺利我们还设计了应答帧等，两ＰＣ机之间是双向通信设置。

在接受端，为了防止接受无线数据乱序，导致很长时间收不到数据，笔者设置了重收机制，通过实验，最长接收时间可以不超过４ｓ。

通过Ｚｉｇｂｅｅ远程通讯后，数据就可以传到远程平台了。

为了便于查询和分析数据，我们把数据存到数据库中。

同时在实时采集数据过程中我们将数据采集过程用图形方式予以显示，非常形象直观。

远程ＰＣ机的界面如图７所示，设置好波特率就可以实现远程通信。

在运行过程中图中的箭头代表液体流动速度，非常形象。

数据库模块可以实现存储、查询、分析功能。

图６　数据帧图７　监控界面 通过图７我们可以看出，Ｚｉｇｂｅｅ远程通信已经得到了实现，采集的数据得到了良好的存储。

６　结语本文实现了ＳＯＦＣ的Ｚｉｇｂｅｅ无线通信远程监控系统。

实际系统证明，当在实时性要求不高的情况下，Ｚｉｇｂｅｅ远程通信是一种合适的低成本无线通信方案；实际使用也证明本文的监控系统适用于ＳＯＦＣ发电系统。

参考文献［１］姚思童，司秀丽，杨军，等．燃料电池的工作原理及其发展现状［Ｊ］．沈阳工业大学学报，１９９８，３５（１）：４２－４５．ＹＡＯ　Ｓｉｔｏｎｇ，ＳＩ　Ｘｉｕｌｉ，ＹＡＮＧ　Ｊｕｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐ－ｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ［Ｊ］．ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＥＮＹＡＮＧ　ＰＯＬＹ－ＴＥＣＨＮＩＣ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ，１９９８（１）．［２］李箭．固体氧化物燃料电池：发展现状及关键技术［Ｊ］．功能材料与器件学报，２００７，１３（６）：６８３－６８９．ＬＩ　Ｊｉａｎ．Ｓｏｌｉｄ　ｏｘｉｄｅ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌｓ：ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｇｉｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，２００７（６）．［３］魏增福，郑金．燃料电池发电的现状研究及应用前景［Ｊ］．广东电力，２００９，２２（１２）：１－６．ＷＥＩ　Ｚｅｎｇｆｕ，ＺＨＥＮＧ　Ｊｉｎ．Ｐｒｅｓｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉ－ｃａｔｉｏｎ　Ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｅ－ｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，２００９（１２）．［４］黎永祥，姚丹丹．新型化学电源－燃料电池［Ｊ］．湖南工业职业技术学院学报，２００６，６（４）：３１－３５．ＬＩ　Ｙｏｎｇｘｉａｎｇ，ＹＡＯ　Ｄａｎｄａｎ．Ｎｅｗｌｙ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｏｗｅｒｓ－Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，２００６（４）．［５］Ｐａｏｌｏ　Ｂａｒｏｎｔｉ，Ｐｒａｓｈａｎｔ　Ｐｉｌｌａｉ，Ｖｉｎｃｅ　Ｗ．Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｈｏｏｋ　Ｗｉｒｅ－ｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ８０２．１５．４ａｎｄ　ＺｉｇＢｅｅ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ－Ｉｏｎｓ，２００７，３０，３０（７）：Ｓ６１－Ｓ１２２．［６］ＺｉｇＢｅｅ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＺｉｇＢｅｅ　Ｄｏｃｕ－ｍｅｎｔ　０５３４７４ｒ０６，Ｖｅｒｓｉｏｎ　１．０Ｈ．［７］Ｚｈａｎｇ，Ｌ．Ｗａｎｇ，Ｓ．Ｗｅｎｇ　ａｎｄ　Ｍ．Ｓｕ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎｔｈｅ　Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｒｅｆｏｒｍｅｒ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００８，１８４（１）：２８２－２９４．［８］西门子（中国）有限公司自动化驱动集团［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７．［９］Ｄｉｇｉ　Ｄｏｃｏｍｅｎｔ：９００００９７６＿Ｃ．ｐｄｆ（ＸＢ－ｅｅ／ＸＢｅｅ－ＰＲＯ　ＺＢ　ＲＦＭｏｄｕｌｅｓ．［１０］范国伟，杨刚．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的ＸＢｅｅ　Ｐｒｏ模块在智能公交系统中的应用［Ｊ］．电子元器件应用，２００９，６（１）：１８－２３．［１１］Ｑｕｉｃｋ－ｓｔａｒｔ－ｇｕｉｄｅ＿ｘｂｓ２＿ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ－ｋｉｔ．ｐｄｆ．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｄｉｇｉ．ｃｏｍ．［１２］张晓明．基于ＸＢｅｅ－ＰＲＯ模块和ＺｉｇＢ　ｅｅ＿ＧＰＳ＿ＧＰＲＳ的智能公交系统设计［Ｊ］．电子元器件应用，２００９，７（１１）：１４－２２．（上接第４０页）［１０］太禄东，曾海兵，孔大伟，等．电子装备维修管理系统的设计与实现［Ｊ］．舰船电子工程，２００８，２８（１１）．ＴＡＩ　Ｌｕｄｏｎｇ，ＺＥＮＧ　Ｈａｉｂｉｎｇ，ＫＯＮＧ　Ｄａｗｅｉ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓ－ｔｅｍ［Ｊ］．Ｓｈｉｐ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，２８（１１）．［１１］顾飞飞，唐陇军．面向事件的智能化电网调度运行日志管理系统［Ｊ］．电力系统自动化，２０１０（４）：１０３－１０６．ＧＵ　Ｆｅｉｆｅｉ，ＴＡＮＧ　Ｌｏｎｇｊｕｎ．Ａｎ　Ｅｖｅｎｔ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　ＤｉｓｐａｔｃｈＬｏｇ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ［Ｊ］．Ａｕ－ｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１０（４）：１０３－１０６．。