賴聲鋼

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運營事業(yè)總部，510380，廣州∥工程師）

地鐵供電系統(tǒng)的安全運營離不開高質(zhì)量的檢修作業(yè)，而檢修過程中的人為誤操作是導(dǎo)致電力事故的主要原因。目前，地鐵變電站普遍采用微機(jī)防誤操作系統(tǒng)來避免變電站在運行、檢修、維護(hù)過程中由于人為誤操作所導(dǎo)致的電力事故［1］。傳統(tǒng)微機(jī)防誤操作系統(tǒng)存在離線操作和走空程等問題，電腦鑰匙在接收到操作票后只能嚴(yán)格按照既定的順序操作，若操作過程中相關(guān)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化而電腦鑰匙無法獲知時，就會給操作帶來很大的安全隱患，無法從根本上做到防止誤操作［2］。針對傳統(tǒng)微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題，本文設(shè)計了一種基于GPRS與Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)的在線式防誤閉鎖方案，利用無線通信技術(shù)實現(xiàn)防誤系統(tǒng)實時在線工作。在線式微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)可以充分發(fā)揮GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快的優(yōu)點和ZigBee技術(shù)自動組網(wǎng)、時延短、容量大的優(yōu)勢，系統(tǒng)無需布線、結(jié)構(gòu)簡單，且永久在線［3］，具有較好的實時性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文所設(shè)計的在線式微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)信息遠(yuǎn)距離無線傳輸，采用Zig－Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點組網(wǎng)設(shè)計，從而實現(xiàn)系統(tǒng)實時在線工作。ZigBee是一種基于IEEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、近距離、低傳輸速率、低功耗、低成本且數(shù)據(jù)可靠性高的雙向無線通信技術(shù)［4］，支持星（Star）形、樹（Tree）形和網(wǎng)狀（Mesh）3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于地鐵變電站內(nèi)設(shè)備雜多、環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾、障礙物等因素會影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離和通信質(zhì)量，故本方案采用樹（Tree）形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過路由節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器的遠(yuǎn)距離通信。

本系統(tǒng)由站控層、間隔層和過程層3部分組成（見圖1），包括防誤主機(jī)、操作票專家系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點、終端節(jié)點、智能鎖具等部分。進(jìn)行倒閘操作時，操作人員首先在防誤主機(jī)上通過操作票專家系統(tǒng)軟件對將要進(jìn)行的操作進(jìn)行模擬預(yù)演，操作過程經(jīng)模擬預(yù)演無誤后生成操作票，操作人員嚴(yán)格按照操作票的操作流程通過無線網(wǎng)絡(luò)對智能鎖具進(jìn)行控制，然后才能執(zhí)行相應(yīng)倒閘操作。終端節(jié)點通過智能鎖具采集現(xiàn)場一次設(shè)備狀態(tài)，并將采集到的設(shè)備信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點。終端節(jié)點同時負(fù)責(zé)接收路由節(jié)點下發(fā)的命令，來控制智能鎖具的打開或閉合。路由節(jié)點通過功率放大和多級跳變的方式將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，同時路由節(jié)點也負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器下發(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)到終端節(jié)點。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總與處理，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與防誤主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計

2.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點采用ZigBee通信模塊與路由節(jié)點及智能鎖具通信，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點進(jìn)行近距離無線通信，通過USART接口與智能鎖具進(jìn)行有線通信，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能鎖具用于鎖定現(xiàn)場一次設(shè)備，授權(quán)通過后才能打開鎖具操作現(xiàn)場一次設(shè)備。終端節(jié)點用于實時采集智能鎖具閉鎖的斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、網(wǎng)門、地線等地鐵變電站現(xiàn)場一次設(shè)備的狀態(tài)信息［5］，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將一次設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送到路由節(jié)點，并接收路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的控制命令，通過智能鎖具實現(xiàn)對現(xiàn)場一次設(shè)備的解/閉鎖控制。

圖2 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee通信模塊選用TI公司推出的CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計，該芯片內(nèi)部有1個2.4 GHz的高性能DSSS射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級8051控制器，內(nèi)部固化ZigBee協(xié)議棧，通過USART串口即可與智能鎖具進(jìn)行通信。CC2530芯片內(nèi)部具有發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)電路，天線的接口及匹配很容易實現(xiàn)。本方案采用偶極天線，不需要使用不平衡變壓器就可以方便地與系統(tǒng)連接。λ/2偶極天線長度可由下式給定：

式中：

f——頻率，MHz；

l——天線長度，cm。

2.2 路由節(jié)點設(shè)計

受限于ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離、應(yīng)用環(huán)境的信號干擾及終端節(jié)點數(shù)量較多等因素，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器無法與站內(nèi)所有的終端節(jié)點進(jìn)行直接通信，必須通過路由節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)。理論上可以采用足夠多的路由節(jié)點通過多跳傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的通信，但在實際應(yīng)用中由于網(wǎng)路規(guī)模較大，會造成成本增加和硬件資源的浪費。本設(shè)計通過增大發(fā)射功率的方式來增大ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信距離。圖3為路由節(jié)點的電路圖。

由圖3可知，在設(shè)計路由節(jié)點時仍選擇CC2530芯片作為核心，采用CC2591芯片增大ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率，這樣可以在一定程度上增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離，減小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，降低系統(tǒng)成本。在設(shè)計路由節(jié)點時采用CC2591射頻（RF）功率放大模塊可以將ZigBee收發(fā)器的輸出功率提高約+22 dB·m，接收靈敏度提高約+6 dB［6］，還可以簡化射頻電路的設(shè)計。路由節(jié)點以CC2530為核心，采用射頻（RF）功率放大模塊CC2591作為信號放大器件，再加上ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸接力特性，就可以以較小的規(guī)模將整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋至整個地鐵變電站。

2.3 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器是整個系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的樞紐和核心，主要負(fù)責(zé)GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，向上通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與防誤主機(jī)遠(yuǎn)距離通信，向下通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點通信。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器由微處理器、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊、存儲模塊、電源模塊等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 路由節(jié)點硬件電路

圖4 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee通信模塊仍然選用CC2530芯片設(shè)計，負(fù)責(zé)創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、允許路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)及維護(hù)整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，具有管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能。GPRS通信模塊主要用于與防誤主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率快、數(shù)據(jù)糾錯能力強及覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，可以充分保證防誤閉鎖系統(tǒng)的實時性與可靠性。GPRS通信模塊選用SIEMENS公司推出的MC55芯片，芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，通過AT指令操作就可以實現(xiàn)GPRS與防誤主機(jī)建立基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)連接。微處理器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總與處理及通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，對芯片數(shù)據(jù)處理能力、運算能力及存儲空間要求比較高，本設(shè)計選用S3C2440A芯片作為網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器主控單元。該芯片主頻處理速度可高達(dá)533 MHz，具有4通道DMA控制器和3通道的UART接口，可以方便地與GPRS芯片和ZigBee芯片通信。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點程序流程圖如圖5所示。其主要任務(wù)是加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)、采集并發(fā)送數(shù)據(jù)及接收路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的命令。節(jié)點上電后首先進(jìn)行硬件初始化以及協(xié)議棧初始化，對寄存器、工作模式、參數(shù)等完成設(shè)置后向路由節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點根據(jù)加入網(wǎng)絡(luò)的先后順序?qū)⒌刂穳K中的16位短地址分配給終端節(jié)點，這樣終端節(jié)點便加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點借助周期性監(jiān)聽無線通道來確定是否有報文等待處理，在完成上傳終端節(jié)點數(shù)據(jù)和接收路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，終端節(jié)點大部分處于休眠狀態(tài)，2節(jié)5號干電池即可工作6個月到2年。

圖5 終端節(jié)點程序流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器主要用于實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)和命令的上傳與下發(fā)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立及路由節(jié)點的加入、數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧來組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行協(xié)議棧和外部設(shè)備初始化，通過調(diào)用aplFormNetwork()函數(shù)來建立網(wǎng)絡(luò)。ZigBee路由器上電后掃描信道，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)申請后，通過aplJoinNetwork()函數(shù)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器接收到申請后分配給路由器一個包含若干16位短地址的地址塊，這樣ZigBee路由節(jié)點便加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中［7］。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收防誤主機(jī)下發(fā)的命令與數(shù)據(jù)，經(jīng)過微處理器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由節(jié)點下發(fā)至終端節(jié)點。另一方面，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收到路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過微處理器模塊的數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至防誤主機(jī)。流程圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器程序流程圖

4 試驗結(jié)果

為了檢驗ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地鐵變電站內(nèi)的通信質(zhì)量，進(jìn)而確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可靠通信距離，有必要在變電站內(nèi)進(jìn)行點對點信號傳輸質(zhì)量檢測試驗。Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)中，鏈路質(zhì)量（QLQI）計量的是所收到包的強度和質(zhì)量，而信號接收強度（SRSSI）通常被作為鏈路質(zhì)量的評定指標(biāo)［8］。SRSSI值的大小可以反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，SRSSI值與QLQI值之間的關(guān)系滿足：

本次試驗選擇在杭州地鐵1號線主變電所內(nèi)進(jìn)行，采用2個ZigBee節(jié)點進(jìn)行點對點通信，其中一個節(jié)點用CC2530模塊作為終端節(jié)點，另一個用CC2530+CC2591模塊作為路由節(jié)點。節(jié)點均采用3.3 V直流供電，發(fā)送功率為0 SRSSI。發(fā)送節(jié)點每次發(fā)送200個數(shù)據(jù)包，接收節(jié)點每次接收到數(shù)據(jù)包都會統(tǒng)計信號質(zhì)量，通過讀取SRSSI值的個數(shù)就可以間接得到收包數(shù)［9］。表1為2個節(jié)點間隔不同距離下SRSSI與QLQI的值。分析表1可知，當(dāng)2個節(jié)點通信距離大于130 m時QLQI小于50，丟包率較大。因此，為保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地鐵變電站內(nèi)的通信質(zhì)量，終端節(jié)點與路由節(jié)點的通信距離應(yīng)小于130 m。

表1 點對點通信SRSSI與QLQI值

5 結(jié)語

本文以CC2530和CC2591芯片為核心，完成了ZigBee現(xiàn)場參數(shù)無線檢測網(wǎng)絡(luò)的搭建，并基于MC55芯片實現(xiàn)了信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)了地鐵變電站現(xiàn)場一次設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程檢測與控制，有效地解決了傳統(tǒng)微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)離線操作、走空程及操作繁瑣等問題，從根本上做到防止電氣誤操作。通過實地測試，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地鐵變電站內(nèi)的傳輸質(zhì)量和傳輸距離進(jìn)行了評價，測試結(jié)果對ZigBee節(jié)點在地鐵變電內(nèi)的布置給出了小于130 m的參考距離。該在線式微機(jī)防誤操作系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、永久在線、功耗較低的優(yōu)勢，可以極大地提高地鐵變電站防誤閉鎖裝置的可靠性和實時性。

［1］ 黃文龍，程華，梅峰，等.變電站五防一體化在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（23）：112.

［2］ 尤國榮.微功耗無線網(wǎng)絡(luò)在防誤系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2010，30（8）：139.

［3］ 郭耀華.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（1）：79.

［4］ 任秀麗，于海斌.ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)的研究［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（6）：143.

［5］ 陳沖，王瑞闖，張樂斌，等.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的防誤閉鎖系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電力，2009，26（5）：27.

［6］ 馬飛，鄭云水.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（12）：26.

［7］ 袁佳，焦志曼，余建波，等.采用GPRS和ZigBee的遠(yuǎn)程分布式燈光控制系統(tǒng)［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2015，36（1）：108.

［8］ 周艷，李海成.基于RSSI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)空間定位算法［J］.通信學(xué)報，2009，30（6）：75.

［9］ 丁恩杰，王振華，王淑涵，等.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在輸煤監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（7）：114.