基于ZigBee技术的低功耗电能参数无线监测系统

    随着我国经济不断发展， 工业和民用用电需求不断增加，因此更好地实现国家智能电网安全、稳定运行的控制目标显得特别重要。

    为了保证电力设备的安全运行，近年来变压器设备在线故障诊断逐渐受到电力企业的普遍重视，但变压器电流、电压、功率负荷、油温和铁芯入地电流等参数的测量，以及传感器的安装、供电、网络通信连接布线仍是个难题。于是，寻求一种没有复杂的引线、绝缘性能好、低功耗、可在线供电或电池供电、能够就近安装及实时监测电能参数和温度的传感器成为首要考虑的问题。低功耗电能参数测量芯片和无线网络ZigBee技术的出现，使得在线供电或电池供电的电能参数无线监测系统成为可能。下面将介绍一种基于无线通信ZigBee技术的电能参数及温度监测系统。

    ZigBee是一种用于控制和监视的短距离、低速率、低功耗、成本低廉、高可靠无线网络技术，它基于IEEE802.15.4国际标准，上层协议为ZigBee协议栈。其网络路由功能强大，组网灵活，自恢复及冗余性能优异，能简单地覆盖广阔范围，每个ZigBee网络最多可支持65,535台设备，也就是说，每台ZigBee设备可以与另外65,534台设备相连接。近年来ZigBee技术在智能家居、照明控制、建筑自动化、工业自动化、自动抄表和医疗等方面逐渐展开应用，是目前嵌入式应用的一大热点。它的许多特点和优势也使之具有广阔的应用领域和市场前景。

    本文介绍的基于ZigBee技术的电能参数无线监测系统主要应用于变电站、发电厂的电力变压器等高压设备的电能参数及温度实时监测。这种无线监测系统可以帮助用户及时发现设备隐患的存在，从而避免事故的发生；减少运行人员现场巡检的工作量；提高设备使用寿命，降低企业的总体成本。

    一、系统硬件设计

    图1为电能参数无线监测系统。

    该系统采用三层结构，即由无线电能参数及温度采集模块、ZigBee接收节点和计算机工作站三部分组成。无线电能参数及温度采集模块完成被测对象的电能参数及温度测量，然后通过ZigBee无线通信接口把数据传给ZigBee接收节点，ZigBee接收节点把接收到的数据经过简单处理后通过RS485、CAN和以太网等总线将数据传输到计算机工作站作一进步处理。

    电能参数无线监测系统硬件设计主要由无线电能参数及温度测量模块（传感器）和无线电能参数监视仪（ZigBee接收节点）两部分组成。图2为电能参数无线监测系统硬件原理框图，左边部分为无线电能参数监视仪硬件原理框图，右边则为无线电能参数及温度测量模块。

图2：电能参数无线监测系统硬件原理框图。

    1. 无线电能参数监视仪

    无线电能监视仪硬件主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S内核、内部嵌入128K字节高速Flash存储器和16K字节静态RAM的LPC2134嵌入式微处理器。外围电路由LCD显示模块、数据存储电路、报警输出电路、按键接口电路、ZigBee无线通信模块、RS485通信接口电路和RTC实时时钟电路等组成。LCD显示模块作为人机交互接口显示电压有效值、电流有效值、频率、功率、功率因数和温度等参数测量值及棒状图、实时趋势图、历史趋势图和报警记录等；数据存储电路采用上海贝岭的EEPROM存储器BL24C256和Intersil公司内部集成看门狗电路的存储器X5043.其中BL24C256用来存储系统状态信息、电压、电流、温度等参数历史数据及越限报警记录等，X5043存储器功能是给主CPU作看门狗复位电路及保存系统组态参数；报警输出电路在测量值超过报警限值时，输出无源开关量触点给声、光报警显示屏或作为开关量信号传给计算机监控系统，使维护人员及时排除故障，避免事故的发生；按键接口电路功能是配合人机交互接口LCD显示模块，便于用户现场调试、修改系统组态参数及切换测量数据显示画面；ZigBee无线通信模块集成了ZigBee无线收发器和一个单指令内嵌Flash空间的51CPU核，同时还有GPIO,功能为接收无线电能参数及温度测量模块发送过来的测量数据，然后把数据送给主CPU进行处理；RS485通信接口电路功能是把测量的数据传送到计算机工作站监控系统，通信接口电路可根据用户需要配置成CAN或以太网接口；RTC时钟电路采用上海贝岭的BL5373芯片，给整个系统提供实时时钟信号。

    2. 无线电能参数及温度测量模块

    无线电能参数及温度测量模块主MCU 采用超低功耗的1 6 位MSP430系列的微控制器。外围电路由ZigBee无线通信模块、电量传感器电路、温度传感器电路和电源电路及锂电池电路等组成。ZigBee无线通信模块功能为把测量的电能参数及温度数据无线传输给监视仪；电量传感器电路主芯片采用上海贝岭的低功耗三相多功能电能测量芯片BL6519,此芯片能够测量分相和合相有功功率及分相电流、电压有效值、功率因子、线频率等参数，具有失压与过压监测功能以及电流电压峰值检测功能，用它来测量三相变压器负载电流、电压和功率等参数；温度传感器电路功能为测量变压器油温；电源电路功能为通过PT电压互感器在线取电，给整个模块供电，从而省去外部专门供电电源；另外锂电池电路功能是在模块失去外部供电时，暂时给系统供电及给BL5373实时时钟电路供电。

    二、系统工作原理

    电能参数无线监测系统中最关键的技术难点为无线电能参数及温度测量模块低功耗技术实现。一般ZigBee无线通信模块睡眠模式下工作电流小于1μA,MSP430系列MCU在超低功耗工作模式下工作电流也小于1μA,温度传感器电路低功耗模式工作电流约为2μA,电能参数测量电路BL6519工作电流约为6.8mA,再加上系统外围电路的功耗，整个无线电能参数及温度测量模块在低功耗模式下平均电流约为6.81mA,因而可以用PT电压互感器在线取电技术实现模块供电。在变压器设备断电情况下，只要关断BL6519芯片的供电，整个模块工作电流就降到10μA左右，这样模块就切换到3.6V（1,200mAh）的锂电池供电模式。

    无线电能参数及温度测量模块正常供电下的工作过程为：1. 用BL6519电能测量芯片测量变压器负载电流、电压和功率等参数；2. 用温度传感器测量变压器的油温；3.

    唤醒ZigBee无线通信模块，发送测量数据给监测仪，接着通信模块进入睡眠模式。如此循环工作。

    无线电能参数监视仪的工作过程为接收到无线电能参数及温度测量模块发送的数据后，对数据进行分析处理，通过LCD显示器以不同画面显示电压、电流、功率和温度等测量值，包括成组显示图、棒状图、实时趋势图、历史趋势图和报警记录等。通过RS485通信接口或CAN、以太网通信接口把数据送到计算机监控工作站，对数据作进一步的分析处理。

    无线电能参数及温度测量模块为了安装方便，一般ZigBee模块发射天线采用内部PCB板载天线。无线电能参数监视仪一般外接5dbi天线，通信视距可达500米。

    三、系统软件设计

    无线电能参数监视仪由于程序设计复杂，故采用μC/OS-II嵌入式实时操作系统。μC/OS-II内核的特点是简洁、稳定、实时性强、可裁剪，可以改写源代码使之符合自己的要求，裁减掉不需要的部分，使操作系统变得小巧、灵活，并且能满足用户特定操作系统的需要。为了提高系统的实时能力，μC/OS-II可以将一个复杂的应用划分为多个相互独立的任务，并根据任务的重要性来分配优先级，任务的调度完全由μC/OS-II的实时内核完成，主要包括任务的状态管理、选择最高优先级的任务、执行任务和撤销任务等。μC/OS-II内核还负责CPU时间分配，CPU时间总是优先分配给中断事件，其次是任务队列中当前优先级最高的任务，不同任务间的通信可以通过μC/OS-II提供的信号量、邮箱、信息队列等机制完成。

    采用μC/OS-II实时操作系统内核，简化了应用程序的设计，使整个程序结构简洁、复杂的应用程序层次化。整个程序设计由操作系统和一系列用户应用任务构成，应用程序更容易设计与维护。

    1. 任务的划分

    根据无线电能参数监视仪要实现的程序中各个任务的重要性和实时性，把程序分成六个具有不同优先级的任务，包括系统监控、数据处理、接收队列监视、数据发送、键盘输入和LCD显示。除了6个主要应用任务外，还有三个中断服务子程序：一个时钟节拍中断，用于提供周期性时钟信号源；二个串口接收中断（一个用于ZigBee无线通信模块的数据接收，另一个用于计算机监控工作站的数据请求接收）。

    2. 任务的同步与调度

    通常多任务操作系统的任务不同于一般函数，它是一个无限循环，而且没有返回值。如果没有更高优先级的任务进入就绪态， 当前任务是不会放弃对CPU的使用权的。为了实现操作系统的正常运行和有关事件的同步，必须正确处理任务间的通信和事件标志的设置。

    整个系统的软件设计如图3所示。

图3：无线电能参数监视系统软件。

    各个任务具有不同的优先级，通过调用系统挂起函数或延时函数，可以启动具有更高优先级的进入就绪态的任务。在设计中，通过对延时参数的设置，系统每隔一定的时钟节拍，就启动接收队列监视任务，定期扫描环形缓冲区。一旦发现读指针与写指针不相等时，就将环形缓冲区中新接收到的数据存入recvbuf中，同时对收到的数据进行简单解析，若是ZigBee无线通信模块传输过来数据，则发送数据处理信号量DataProcSem,数据处理任务接收到信号量启动运行，完成数据处理分析功能；若是计算机监控工作站发送过来请求帧数据，则发送数据发送信号量SendSem,数据发送任务接收到信号量，启动运行，完成数据发送功能。同样，其他程序模块功能也是通过任务间的通信与信号量的传递来实现，以此来保证时间与任务的同步。

    3. 程序流程

    图4为无线电能参数监视仪的程序流程框图。在使用μC/OS-II提供的任何功能之前，必须先调用OSInit（）函数，该函数建立了2个任务：空闲任务（在所有其他任务未就绪时运行）和统计任务（计算CPU的利用率）。

图4：无线电能参数监视仪程序流程框图。

    本应用程序中屏蔽了统计任务，OSInit（）函数只建立1个任务，即空闲任务。InitHardware（）函数主要完成系统时钟设置和UART串口参数初始化；InitPara（）函数完成系统全局变量初始化，然后建立各个应用任务，最后OSStart（）函数将控制权交给μC/OS-II内核，开始运行多任务。

    电能参数及温度测量模块由于对时间要求比较高，并且程序设计相对简单，故程序采用基于时间控制的程序流程结构，采用时间状态机的编程方法。应用任务划分为：

    电能参数及温度采集任务、数据发送任务、空闲睡眠任务。程序开始运行后先初始化系统硬件参数和系统变量参数，然后采集电能参数及温度并把数据通过ZigBee无线通信模块发送给无线电能参数监视仪，最后进入空闲睡眠模式。其中数据发送任务完成时间控制在50ms,包括30ms唤醒等待时间、10ms数据通信时间以及10ms数据通信不成功重发时间。

    四、小结

    在电力变压器在线故障诊断应用中，无线电能参数及温度测量模块在线监测变压器负载电流、电压、功率和泄漏电流、铁芯入地电流及油温等参数，并把数据无线传输给监视仪。监视仪处理分析被测参数，并判断参数变化情况，如果监视到顶层油温、套管出线端子温度、油箱热点温度等温升速度，以及组间温度差、铁芯入地电流等参数超过设定限值，将输出变压器监测参数异常报警开关量给声、光报警显示器，通知运行人员注意。通过变压器在线故障诊断解决变压器过热、过载、漏电流等问题，杜绝此类事故发生，从而保证高压设备安全、稳定运行。<