崔鳳新

摘要：現(xiàn)有的電網(wǎng)設備參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得在特殊環(huán)境條件下布線困難，不易維護，由此提出采用ZigBee無線通信技術，以低功耗MSP430系列單片機為控制核心，完成對現(xiàn)場電壓、電流、溫度等參數(shù)在線采集，主控實時顯示、監(jiān)控和集中管理，并把數(shù)據(jù)遠程傳輸回控制中心，從而控制中心可以實時監(jiān)測到各個用電設備的電氣參量系統(tǒng)具有布點靈活、安裝方便等特點。

關鍵詞：多參量；ZigBee；CC2530；無線遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0174-02

1 引言

現(xiàn)有的電網(wǎng)設備參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得在特殊環(huán)境條件下布線困難，不易維護。ZigBee技術的出現(xiàn)，使得對于電網(wǎng)諧波和重要設備狀態(tài)的實時在線監(jiān)測成為可行，文獻[1]至[4]都介紹了基于ZigBee技術的無線監(jiān)控系統(tǒng)在相關領域的成功應用，具有低功耗、高可靠性、低成本且不受網(wǎng)絡寬帶影響等優(yōu)點。

本文主要通過CC2530芯片組建基于ZigBee技術一套對電力系統(tǒng)電壓、電流以及溫度進行實時無線遠程監(jiān)控的系統(tǒng)。

2 無線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構

多參量無線監(jiān)測電路MCU選擇MSP430F5418，該處理器擁有強大的內(nèi)部資源，優(yōu)異的性能，低廉的價格，高效的開發(fā)環(huán)境，贏得了廣泛的市場，成為單片機領域的一顆常青樹。該單片機具有3個16位計數(shù)器通道、8路12位共享式AD轉換器和2路UART通道，能夠滿足電力數(shù)據(jù)監(jiān)測的電壓、電流采集，以及LCD顯示、三個紅外按扭、485、ZigBee等等與處理器之間的端口占用。

主控制電路如圖1所示，包括處理模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤設置模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊則負責采集現(xiàn)場傳感器的電壓、電流和溫度等信息，供給MCU處理；MCU模塊處理數(shù)據(jù)模塊，并將配置的數(shù)據(jù)參數(shù)存入到存儲模塊中，鍵盤設置模塊響應現(xiàn)場的按鍵信號，LCD模塊則顯示不同的按鍵的內(nèi)容和傳感器采樣信號，供現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控；無線Zigbee模塊構建無線傳感器網(wǎng)絡，接收遠程數(shù)據(jù)配置控制命令，同時將測量數(shù)據(jù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

為了降低系統(tǒng)功耗，讓終端節(jié)點定時檢測電壓、電流和溫度信息，發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件運行過程中，只保留CPU內(nèi)部定時器和中斷終端節(jié)點，大部分時間被設定為休眠狀態(tài)。

2.1 多參量數(shù)據(jù)采集模塊

多參量數(shù)據(jù)采集模塊主要采集電壓電流、溫度和入侵數(shù)據(jù)；其中，入侵、浸水為開關信號，經(jīng)共模線圈的濾波后進入MCU的IO端口，MCU通過掃描端口獲得端口狀態(tài)；溫度經(jīng)隔離和差模放大電路進行信號放大調(diào)理，然后進入AD采樣芯片模數(shù)轉換后進行溫度和壓力的計算。

互感器經(jīng)過隔離電路獲取電流、電壓信號，轉換后的電信號經(jīng)共模線圈的濾波后進入差模放大電路進行信號放大調(diào)理，然后進入AD采樣芯片模數(shù)轉換后進行電流和電壓的計算，具體電路參照圖2。

2.2 ZigBee無線節(jié)點設計

為減少CC2530射頻芯片的外圍電路設計，系統(tǒng)設計采用鼎泰克公司（DTK）生產(chǎn)的DRF1607HCC2530ZigBee封裝芯片。

CC2530提供了基于TTL電平的UART通訊方式，電路中，從CPU引出RXD2、TXD2兩根引線與CC2530的TX、RX連接。CC2530與MSP430F5418處理器連線電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

ZigBee節(jié)點的軟件設計采用模塊化的思想，在TI公司提供的ZigBee標準的Z-Stack協(xié)議棧[5]用C設計，圖4為系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線監(jiān)測節(jié)點主程序流程圖。ZigBee協(xié)議有3種網(wǎng)絡配置方式：星型、簇樹型和Mesh網(wǎng)絡。本設計采用Mesh網(wǎng)絡，因為與另兩種網(wǎng)絡相比，Mesh網(wǎng)絡能夠減少消息時延，增強通信的可靠性。

上位機軟件采用C#編寫，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)參數(shù)的實時監(jiān)測和處理并顯示，實時顯示，提供系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時信息。

4 硬件及測試結果分析

實驗將多參數(shù)在線監(jiān)測節(jié)點依次接入ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，測試在無障礙物的情況下進行，選擇透傳模式，兩個節(jié)點之間的傳輸距離在100m左右，能夠較準確地完成對系統(tǒng)電壓、電流以及溫度的測量，可靠性較高。

5 結語

本文介紹了一種基于ZigBee電力多參量無線遠程監(jiān)測方案，系統(tǒng)以MSP430F5418為核心控制器，利用多參量數(shù)據(jù)采集模塊采集網(wǎng)絡參數(shù)、ZigBee無線傳輸模塊構建無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，運行成本較低，且運行可靠，在控制中心即可實時了解到各個設備的工作狀態(tài)，可廣泛應用于無線遠程監(jiān)控領域。

參考文獻

[1]謝苗苗，李華龍，羅偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下電力諧波在線監(jiān)測節(jié)點設計[J].煤礦機械，2016，（1）：234-236.

[2]宿筱.基于無線傳感網(wǎng)絡的電網(wǎng)諧波監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].應用能源技術，2013年第10期：48-50.

[3]馬麗萍，張衛(wèi)國.基于ZigBee的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[J].電源技術，2012，36（8）：1192-1195.

[4]丁凡，周永明.基于Zigbee的多路溫度數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設計[D].儀表技術與傳感器，2013.

[5]HUA W W， YUAN Z H， YU X Z. A design of Z-stack application based on the IEEE address[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013 （401/403）：1272-1277.