基于ZigBee技術(shù)的低功耗電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展， 工業(yè)和民用用電需求不斷增加，因此更好地實(shí)現(xiàn)國家智能電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的控制目標(biāo)顯得特別重要。

為了保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行，近年來變壓器設(shè)備在線故障診斷逐漸受到電力企業(yè)的普遍重視，但變壓器電流、電壓、功率負(fù)荷、油溫和鐵芯入地電流等參數(shù)的測量，以及傳感器的安裝、供電、網(wǎng)絡(luò)通信連接布線仍是個難題。于是，尋求一種沒有復(fù)雜的引線、絕緣性能好、低功耗、可在線供電或電池供電、能夠就近安裝及實(shí)時監(jiān)測電能參數(shù)和溫度的傳感器成為首要考慮的問題。低功耗電能參數(shù)測量芯片和無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，使得在線供電或電池供電的電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。下面將介紹一種基于無線通信ZigBee技術(shù)的電能參數(shù)及溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

ZigBee是一種用于控制和監(jiān)視的短距離、低速率、低功耗、成本低廉、高可靠無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它基于IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)，上層協(xié)議為ZigBee協(xié)議棧。其網(wǎng)絡(luò)路由功能強(qiáng)大，組網(wǎng)靈活，自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異，能簡單地覆蓋廣闊范圍，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65,535臺設(shè)備，也就是說，每臺ZigBee設(shè)備可以與另外65,534臺設(shè)備相連接。近年來ZigBee技術(shù)在智能家居、照明控制、建筑自動化、工業(yè)自動化、自動抄表和醫(yī)療等方面逐漸展開應(yīng)用，是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。它的許多特點(diǎn)和優(yōu)勢也使之具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。

本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用于變電站、發(fā)電廠的電力變壓器等高壓設(shè)備的電能參數(shù)及溫度實(shí)時監(jiān)測。這種無線監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助用戶及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患的存在，從而避免事故的發(fā)生；減少運(yùn)行人員現(xiàn)場巡檢的工作量；提高設(shè)備使用壽命，降低企業(yè)的總體成本。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，即由無線電能參數(shù)及溫度采集模塊、ZigBee接收節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)工作站三部分組成。無線電能參數(shù)及溫度采集模塊完成被測對象的電能參數(shù)及溫度測量，然后通過ZigBee無線通信接口把數(shù)據(jù)傳給ZigBee接收節(jié)點(diǎn)，ZigBee接收節(jié)點(diǎn)把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單處理后通過RS485、CAN和以太網(wǎng)等總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)工作站作一進(jìn)步處理。

電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由無線電能參數(shù)及溫度測量模塊（傳感器）和無線電能參數(shù)監(jiān)視儀（ZigBee接收節(jié)點(diǎn)）兩部分組成。圖2為電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件原理框圖，左邊部分為無線電能參數(shù)監(jiān)視儀硬件原理框圖，右邊則為無線電能參數(shù)及溫度測量模塊。

圖2：電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件原理框圖。

1. 無線電能參數(shù)監(jiān)視儀

無線電能監(jiān)視儀硬件主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S內(nèi)核、內(nèi)部嵌入128K字節(jié)高速Flash存儲器和16K字節(jié)靜態(tài)RAM的LPC2134嵌入式微處理器。外圍電路由LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲電路、報警輸出電路、按鍵接口電路、ZigBee無線通信模塊、RS485通信接口電路和RTC實(shí)時時鐘電路等組成。LCD顯示模塊作為人機(jī)交互接口顯示電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因數(shù)和溫度等參數(shù)測量值及棒狀圖、實(shí)時趨勢圖、歷史趨勢圖和報警記錄等；數(shù)據(jù)存儲電路采用上海貝嶺的EEPROM存儲器BL24C256和Intersil公司內(nèi)部集成看門狗電路的存儲器X5043.其中BL24C256用來存儲系統(tǒng)狀態(tài)信息、電壓、電流、溫度等參數(shù)歷史數(shù)據(jù)及越限報警記錄等，X5043存儲器功能是給主CPU作看門狗復(fù)位電路及保存系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)；報警輸出電路在測量值超過報警限值時，輸出無源開關(guān)量觸點(diǎn)給聲、光報警顯示屏或作為開關(guān)量信號傳給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使維護(hù)人員及時排除故障，避免事故的發(fā)生；按鍵接口電路功能是配合人機(jī)交互接口LCD顯示模塊，便于用戶現(xiàn)場調(diào)試、修改系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)及切換測量數(shù)據(jù)顯示畫面；ZigBee無線通信模塊集成了ZigBee無線收發(fā)器和一個單指令內(nèi)嵌Flash空間的51CPU核，同時還有GPIO,功能為接收無線電能參數(shù)及溫度測量模塊發(fā)送過來的測量數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)送給主CPU進(jìn)行處理；RS485通信接口電路功能是把測量的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)工作站監(jiān)控系統(tǒng)，通信接口電路可根據(jù)用戶需要配置成CAN或以太網(wǎng)接口；RTC時鐘電路采用上海貝嶺的BL5373芯片，給整個系統(tǒng)提供實(shí)時時鐘信號。