王凱強(qiáng)， 陳　光， 劉　洋， 黃成軍， 郭燦新

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；3.上海華乘電氣科技有限公司，上海 201114)

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基于Zig Bee無線組網(wǎng)的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王凱強(qiáng)1， 陳光2， 劉洋2， 黃成軍1， 郭燦新3

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；3.上海華乘電氣科技有限公司，上海 201114)

摘要:提出了一種SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。以CC2530無線片上系統(tǒng)單片機(jī)為核心，通過傳感器與Zig Bee無線通信實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度、大氣壓、O2濃度和SF6濃度信息采集與傳輸。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)，在測試實(shí)驗(yàn)當(dāng)中達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞:在線監(jiān)測； 單片機(jī)； 傳感器； Z-Stack

0引言

SF6氣體是一種重要的介質(zhì)，它用作封閉式中、高壓開關(guān)的滅弧和絕緣氣體。SF6還是一種簡單窒息劑，一旦泄露危及區(qū)域內(nèi)人群人身安全。SF6氣體泄漏會(huì)給值班人員和電力設(shè)備帶來一定的危害。首先，SF6氣體在高溫電弧的作用下會(huì)產(chǎn)生的某些有毒物質(zhì)，如，SF4,SF2,S2F2等氣體，這些氣體泄漏出來不僅會(huì)對(duì)工作人員造成毒害，而且它們會(huì)與空氣中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氟酸(HF)和亞硫酸(H2SO3)，可嚴(yán)重腐蝕電氣設(shè)備，降低設(shè)備的使用性能和壽命。其次，SF6是惰性重氣體，它的密度比空氣大，容易沉積在低處，造成工作人員的缺氧，威脅其人身安全。因此，SF6濃度在線監(jiān)測在電力行業(yè)中有著重要意義[1,2]。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域[3～5]。鑒于以上兩點(diǎn)，本文采用電化學(xué)傳感器檢測SF6濃度，通過Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度、大氣壓、O2濃度和SF6濃度監(jiān)測與傳輸。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備分為協(xié)調(diào)器(coordinator)和終端設(shè)備(end-device)[4,6]。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1　Overall structure block diagram of system

系統(tǒng)由多個(gè)終端設(shè)備構(gòu)成，可同時(shí)監(jiān)測多臺(tái)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)，每個(gè)終端均通過Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。協(xié)調(diào)器通過RS—485總線連接到上位機(jī)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器模塊

SF6濃度采用電化學(xué)傳感器進(jìn)行檢測，輸出電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入CC2530進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。O2濃度采用電化學(xué)傳感器進(jìn)行檢測，模擬信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器輸入CC2530進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。溫濕度采用數(shù)字傳感器進(jìn)行測量，SCK和DATA雙線輸入單片機(jī)。大氣壓采用數(shù)字傳感器進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)通過I2C總線輸入單片機(jī)。

2.2主控模塊

CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4,Zig Bee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8kB RAM。CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的Zig Bee 協(xié)議棧(Z-Stack)，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的Zig Bee 解決方案。

CC2530外圍電路如圖2所示，SF6和O2濃度采集的模擬信號(hào)分別連接到CC2530的P0口；溫濕度和大氣壓傳感器數(shù)字信號(hào)連接到P1口。P1口的串口連接到RSM3485CHT，用于RS—485通信。CC2530 具有一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器。RF內(nèi)核控制模擬無線模塊U5，用于實(shí)現(xiàn)Zig Bee無線組網(wǎng)。

圖2　CC2530外圍電路設(shè)計(jì)Fig 2　Peripheral circuit design of CC2530

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體架構(gòu)

軟件采用德州儀器的Z-Stack協(xié)議棧，符合Zig Bee協(xié)議架構(gòu)[6]。在應(yīng)用層目錄(APP)內(nèi)，添加自己的任務(wù)文件Senser.C和Senser.h。Senser.C中任務(wù)由以下模塊構(gòu)成：

1)A/D轉(zhuǎn)換模塊:主要是將輸入的O2和SF6濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再轉(zhuǎn)換為二者的濃度值，可供發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

2)模擬I2C模塊:由于CC2530沒有硬件I2C接口，故需要軟件模擬，主要用來接收大氣壓信號(hào)，供進(jìn)一步處理。

3)模擬SCK與DATA模塊:根據(jù)傳感器芯片規(guī)定的信號(hào)傳輸時(shí)序進(jìn)行模擬，主要用來接收溫度與濕度信號(hào)。

協(xié)議棧已對(duì)串口和Zig Bee無線通信模塊進(jìn)行了配置，修改相關(guān)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)所需串口通信和無線組網(wǎng)。

3.2軟件與主程序流程

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。在協(xié)議棧中，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置相應(yīng)的寄存器和I/O口。協(xié)調(diào)器采用Zig Bee單點(diǎn)傳送的方式向終端發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令，各終端根據(jù)其發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)地址是否為自己的ID執(zhí)行相應(yīng)操作，若相符，則采集傳感器數(shù)據(jù)并處理，發(fā)給協(xié)調(diào)器;否則,無動(dòng)作，等待下一次命令。

Z-Stack協(xié)議棧主程序最后調(diào)用了函數(shù)osal_start_system()，其是一個(gè)無限次的循環(huán)，不斷調(diào)用函數(shù)osal_run_system()，執(zhí)行系統(tǒng)事件，其流程如圖4所示。

圖3　軟件流程Fig 3　Software process

圖4　函數(shù)osal_run_system()的流程圖Fig 4　Flowchart of function osal_run_system()

3.3子程序?qū)崿F(xiàn)

3.3.1無線收發(fā)子程序

協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)命令“DATA”存放于數(shù)組buf中，利用函數(shù)AF_DataRequest()將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。具體程序如下：

GenericApp_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addr16Bit;∥設(shè)置尋址方式為單點(diǎn)尋址

GenericApp_DstAddr.endPoint=10;∥設(shè)置端點(diǎn)號(hào)

GenericApp_DstAddr.addr.shortAddr = 0x0001;∥設(shè)置目的地址短地址

AF_DataRequest( &GenericApp_DstAddr,&GenericApp_epDesc,GENERICAPP_CLUSTERID,sizeof(buf),buf,&GenericApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)

數(shù)據(jù)包被發(fā)送到一個(gè)登記注冊過的端點(diǎn)，協(xié)議棧在應(yīng)用層通過OSAL事件處理函數(shù)中的接收信息事件AF_INCOMING_MSG_CMD來處理數(shù)據(jù)的接收。終端接收到命令采集數(shù)據(jù)后也通過函數(shù)AF_DataRequest()發(fā)回給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址是由協(xié)調(diào)器隨機(jī)分配的，終端可以通過NLME_GetShortAddr()函數(shù)獲取自身的網(wǎng)絡(luò)地址。

3.3.2串口通信子程序

修改協(xié)議棧對(duì)串口的相關(guān)設(shè)置，在hal_board_cfg.h文件中#ifndef HAL_UART之前添加宏定義#define ZAPP_P1，使用串口0。設(shè)置寄存器 PERCFG = 0x03，串口配置到備用位置2，波特率設(shè)為115200，利用回調(diào)函數(shù)SerialApp_CallBack和HalUARTWrite ()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行，采用3個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行了Zig Bee無線組網(wǎng)測試實(shí)驗(yàn)，單個(gè)終端設(shè)備如圖5所示。上位機(jī)如圖6所示，協(xié)調(diào)器內(nèi)置于上位機(jī)中。實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)終端分別置于與協(xié)調(diào)器相距50 m的三個(gè)地點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

圖5　單個(gè)終端設(shè)備實(shí)物圖Fig 5　Physical map of single terminal device

終端序號(hào)SF6濃度/10-6O2濃度/%溫度/℃濕度/%RH大氣壓/Pa15.1320.7721.4545.7610234827.5420.5422.3742.8310226736.0820.6121.8543.52102374

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以通過Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度、大氣壓、O2濃度和SF6濃度信息采集與傳輸。

圖6　上位機(jī)實(shí)物圖Fig 6　Physical map of upper PC

5結(jié)束語

本文研究了SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟硬件組成，實(shí)現(xiàn)了Zig Bee無線組網(wǎng)測試實(shí)驗(yàn)。

監(jiān)測單元采用CC2530核心板作為主控器，針對(duì)環(huán)境監(jiān)測單元，設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的接口電路，以便CC2530進(jìn)行采樣，對(duì)溫度、濕度、大氣壓、O2和SF6濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

進(jìn)行現(xiàn)場試用，對(duì)某變電站進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，達(dá)到了及時(shí)準(zhǔn)確采集環(huán)境信息的效果，具有現(xiàn)場實(shí)用價(jià)值。

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Design of SF6on-line monitoring system based on Zig Bee wireless networking

WANG Kai-qiang1, CHEN Guang2, LIU Yang2, HUANG Cheng-jun1, GUO Can-xin3

(1.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Electric Power Research Institute of Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 211103,China;3.Shanghai PDStars Electric Co Ltd,Shanghai 201114,China)

Abstract:Present a design scheme for SF6 on-line monitoring system.CC2530,which is MCU with a wireless system on chip(SoC),is used as core.It collects and transmits information of environmental temperature and humidity,atmospheric pressure and concentration of oxygen and SF6,through sensors and Zig Bee wireless communication.The system has advantages of low cost,high reliability and high efficiency,in actual test experiment,it reaches design requirements.

Key words:on-line monitoring; MCU; sensor; Z-Stack

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0064—03

收稿日期：2015—06—29

中圖分類號(hào):TN 92; TM 76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1000—9787(2016)03—0064—03

作者簡介:

王凱強(qiáng)(1990-)，男，江蘇泰州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娎|的局部放電技術(shù)。