方志松

摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，電臺(tái)中各類用電設(shè)備在快速增加，如何規(guī)范高效的使用這些用電設(shè)備，而又最大限度地節(jié)約能源是節(jié)約型電臺(tái)建設(shè)的一個(gè)主要內(nèi)容。對(duì)電臺(tái)中各類用電設(shè)備用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是科學(xué)有效管理的基礎(chǔ)，文章根據(jù)電臺(tái)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行，其結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠方便、準(zhǔn)確的對(duì)電臺(tái)中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，為節(jié)約用電管理成本，提高電臺(tái)能源管理水平提供了較好的支持。

關(guān)鍵詞：ZigBee；電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee無線組網(wǎng)通信技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展起來的一種低功耗近距離通信技術(shù)。相對(duì)于其它無線通信技術(shù)來說，其具有應(yīng)用靈活、蓄電時(shí)間長(zhǎng)、自組網(wǎng)能力強(qiáng)、成本低以及可靠性高等特點(diǎn)[1]。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信能力的差異可以分為全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（FFD）以及精簡(jiǎn)功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（RFD）。其中FFD節(jié)點(diǎn)具備ZigBee協(xié)議中的全部功能，同時(shí)具備一定的計(jì)算能力以及較大的存儲(chǔ)容量，可以在無線通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和路由器功能，并可以當(dāng)作終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作；而RFD節(jié)點(diǎn)只具備ZigBee協(xié)議中所描述的部分功能，其只能當(dāng)作終端節(jié)點(diǎn)工作，復(fù)雜度和成本相對(duì)較低。全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)FFD設(shè)備之間以及全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)FFD設(shè)備與精簡(jiǎn)功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)RFD之間都可以進(jìn)行直接通信，但是精簡(jiǎn)功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)RFD之間無法直接進(jìn)行通信，它必須與FFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，或者通過FFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)通信。

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

目前市面上的ZigBee芯片種類較多[2]，常見的包括TI/Chipcon公司的CC2430、Ember公司的EM2420以及Freeseale公司的MC13192等。各類芯片均有自己的優(yōu)點(diǎn)并且具有獨(dú)立的解決方案。其中TI/Chipcon公司的CC2430芯片是目前最為常用的一款ZigBee芯片，同時(shí)也是一款真正意義上的嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。因此，文章選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路搭建無線通信模塊。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1所示為傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)原理框圖，系統(tǒng)通過模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能模塊如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片選擇C8051F020單片機(jī)；（2）無線通信模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構(gòu)建無線通信模塊；（3）電能計(jì)量模塊：利用ATT7022功率芯片及其外圍電路構(gòu)建電能計(jì)量模塊；（4）對(duì)時(shí)模塊：采用1302時(shí)鐘模塊；（5）人機(jī)交互模塊：包括鍵盤、顯示等多個(gè)模塊；（6）開關(guān)控制模塊：主要包括繼電器控制模塊，比如開合閘控制等；（7）安全報(bào)警信息采集模塊：主要對(duì)變壓器電力運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集；（8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：利用鐵電存儲(chǔ)器24C512對(duì)采集模塊所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖1 傳感器硬件設(shè)計(jì)框架

2.2 路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖2 ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架

如圖2所示，給出了ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框架，路由器節(jié)點(diǎn)的功能模塊具體如下：（1）無線通信模塊+MCU控制模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構(gòu)建無線通信模塊：（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：采用鐵電存儲(chǔ)器24C512對(duì)所采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架

如圖3所示為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架，其主要功能模塊描述如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片選擇C8051F020單片機(jī)；（2）無線通信模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構(gòu)建無線通信模塊；（3）對(duì)時(shí)模塊：采用1302時(shí)鐘模塊；（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：采用鐵電存儲(chǔ)器24C512對(duì)所采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；（5）以太網(wǎng)通信模塊：選擇以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS及其外圍電路構(gòu)建以太網(wǎng)通信電路。

3 系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)的各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以每個(gè)工頻周期采樣256個(gè)點(diǎn)的采樣周期，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷采集。通過傳感器對(duì)電網(wǎng)中的三相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行收集，同時(shí)利用CC2430自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信息，將ZigBee協(xié)議棧以及監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序存儲(chǔ)在鐵電存儲(chǔ)器24C512中。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用接觸式測(cè)量方式對(duì)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇用電設(shè)備附近布置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電源模塊主要采用電磁感應(yīng)原理，通過在用電設(shè)備電源進(jìn)線端套接取能線圈的方式，將導(dǎo)線的電磁能量轉(zhuǎn)換到二次側(cè)取電能，同時(shí)通過整流濾波等方式實(shí)現(xiàn)隔離式供電，避免對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。路由節(jié)點(diǎn)僅需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)射與接收，相對(duì)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)來說，硬件上不涉及模擬量的轉(zhuǎn)換，供電方式可以采用電池供電。

系統(tǒng)的監(jiān)控中心分為本地監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩個(gè)部分[3]，其中本地監(jiān)控中心接收ZigBee組網(wǎng)中所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過小波變換和支持向量機(jī)，對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量變化情況進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)將各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)通信模塊，接收ZigBee組網(wǎng)中所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的硬件接口與PC端進(jìn)行連接，并借助于上位機(jī)軟件將所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量狀態(tài)在顯示屏中顯示出來，從而使監(jiān)控中心工作人員能夠?qū)Ω鱾€(gè)區(qū)域的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效提高了控制中心的分析、決策能力，提升管理的智能化水平，并為電力的合理分配以及電力系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

4 結(jié)束語

為了滿足電臺(tái)電能監(jiān)測(cè)的要求，文章提出了一種基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊性能穩(wěn)定、高效，同時(shí)具有完善的軟件功能，能夠?yàn)殡娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供很好的技術(shù)支持。從對(duì)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試情況來看，系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，這對(duì)類似單位的電能管理工作提供了很好的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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