陳飛 朱宗玖

摘 要：針對偏遠(yuǎn)地區(qū)的電網(wǎng)參數(shù)有線監(jiān)測存在安裝、巡檢和維護(hù)成本高，難度大，且容易產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)，并導(dǎo)致電能輸送效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CC2530通信模塊實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的無線采集，利用基于Cortex_M3的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測中心設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測。測試與仿真表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程無線電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；CC2530；Cortex-M3；多協(xié)議網(wǎng)關(guān)

我國當(dāng)前的電網(wǎng)覆蓋范圍廣，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)如海島、高原等地方，傳統(tǒng)有線的電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測方式需要大量的通信電纜，安裝、巡檢和維護(hù)成本高，實(shí)現(xiàn)困難；此外，由于缺乏對輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)了解，電力企業(yè)的專業(yè)分析缺乏實(shí)時(shí)有效的信息支持，導(dǎo)致輸電線路的輸送效率較低。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測已成為近年來的技術(shù)趨勢，利用WSNs技術(shù)在電網(wǎng)參數(shù)采集業(yè)務(wù)中的應(yīng)用優(yōu)勢，構(gòu)建WSNs數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[ 1-4 ] 將基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測，解決了有線布線監(jiān)測的難題，但只采用GPRS、Wi-Fi、以太網(wǎng)等單一的遠(yuǎn)程接入技術(shù)；文獻(xiàn)[ 5-7 ]運(yùn)用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，但缺乏對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?。面對電網(wǎng)復(fù)雜惡劣的通信環(huán)境，單一制式網(wǎng)絡(luò)接入功能的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，難以滿足電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測的高可靠性要求。

本文構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的異構(gòu)WSNs電網(wǎng)參數(shù)采集系統(tǒng)，利用基于Cortex-M3的WSNs網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)WSNs與GPRS、以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，針對不同的應(yīng)用啟用不同的轉(zhuǎn)換協(xié)議、執(zhí)行不同網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

WSNs綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算及無線通信三大技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)人與自然物以及物與物無處不在的對話，同時(shí)針對不同的應(yīng)用對象具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)關(guān)接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、GPRS（general packet radio service）等多種網(wǎng)絡(luò)的融合。傳感器節(jié)點(diǎn)采集感知區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的處理后發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成用戶可知的信息，再通過以太網(wǎng)或GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要完成電網(wǎng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集處理、無線傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的電壓、電流等數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成監(jiān)控終端與采集節(jié)點(diǎn)之間的信息交換以及對網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)采集、處理、同步、信息傳輸和控制，并利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到更高一級的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測輸電線路運(yùn)行狀況。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心為工作人員提供信息支持。

2.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

三相電壓采集采用直接測量的方式，用分壓電阻進(jìn)行分壓，輸出-1V～+1V之間的雙極性交流電壓信號，將電壓信號調(diào)理到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的單極性電壓信號（0～3.0V）范圍，通過RC低通濾波電路，輸入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三相電流采集采用精密電流互感器SCT254FK進(jìn)行調(diào)理變換，在互感器負(fù)載側(cè)接一負(fù)載電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，調(diào)理電路同電壓信號調(diào)理電路。

2.2.2無線通信模塊

基于無線式SoC CC2530無線通信模塊主要負(fù)責(zé)電網(wǎng)參數(shù)的無線采集。它內(nèi)部集成了1個(gè)高性能的RF射頻收發(fā)器和1個(gè)增強(qiáng)型C8051微控制器內(nèi)核，完全滿足短距離無線通信，較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.2.3電源模塊

設(shè)計(jì)中無線通信模塊和數(shù)據(jù)采集電路分別需要提供3.0V和1.5V的直流穩(wěn)壓電源。采用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117和帶隙電壓參考芯片REF3030得到3.3V和3.0V直流穩(wěn)壓電源。利用放大器和電阻分壓實(shí)現(xiàn)從3.0V 到1.5V的轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用IAR Embedded Workbench作為嵌入式軟件開發(fā)平臺，它是瑞典IAR Systems公司為微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（簡稱IAR EW），操作方便，用戶能夠在短時(shí)間內(nèi)上手并進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)。

3.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)程序

無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)的基本工作流程，主要包括系統(tǒng)上電自檢、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、電源管理等模塊。系統(tǒng)上電后啟動程序，對各端口進(jìn)行配置，利用中斷的方式執(zhí)行相應(yīng)的模塊。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有雙重功能，一是充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護(hù)、數(shù)據(jù)匯集；二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)分別從電網(wǎng)參數(shù)采集模塊和網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行研究與測試，采用CC2530無線模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的無線數(shù)據(jù)傳輸，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相互通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、傳送和管理，再通過以太網(wǎng)、GPRS上傳至監(jiān)控中心。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的無線傳感監(jiān)測，數(shù)據(jù)的傳輸和管理方便，特別適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)域以及農(nóng)村的電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測，很好地解決了有線通信的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)參數(shù)的可靠無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，為智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)依據(jù)。但對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)的多網(wǎng)融合需要進(jìn)一步的研究，以及數(shù)據(jù)傳輸過程中WSN網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，提高WSN的健壯性。

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