基于無線傳輸的電能質量監測系統

摘 要： 針對東莞高科技工業園的實際情況，提出了一種基于無線傳感網絡的電能質量實時監測系統。系統采用DSP加ARM結構完成對現場電信號的采集、分析和處理，通過高可靠性ZigBee CC2530模塊實現DSP與ARM間的無線通信，完成數據的傳輸。重點介紹了射頻電路及天線的設計，分析了電磁兼容及抗干擾措施，采用SmartRF Studio 7驗證電路的RF性能，測試結果表明該系統能滿足工業園中自動化生產線的精密儀器、設備的電能質量的實時監測的要求。

關鍵詞： 電能質量監測； 無線傳感網絡； 射頻電路； 天線； RF性能

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0023?04

Power quality monitoring system based on wireless transmission

TANG Zhi?hui， LONG Yun?cong， LI Hong?chao

（Department of Computer and Information Science， City College of Dongguan University of Technology， Dongguan 523106， China）

Abstract： According to the actual situation of Hi?Tech Industrial Park of Dongguan， a power quality real?time monitoring system based on wireless sensor network is proposed. The structure of ARM plus DSP is used in the system to sample， analyze and process the electric signal on site. The high reliable ZigBee CC2530 module is used to realize the wireless communication between DSP and ARM， and complete the data transmission. The design of radio frequency circuit and the antenna is introduced emphatically. Electromagnetic compatibility and interference protection measure are analyzed. The RF performances of the circuit were tested with SmartRF Studio 7. The test results show that the system can satisfy the requirements of the real?time power quality monitoring of the precision instruments and equipments in automation production lines in the industrial park.

Keywords： power quality monitoring； wireless sensor network； radio frequency circuit； antenna； RF performance0 引 言

具有“世界工廠”稱號的東莞，在新的經濟形勢下，工業自動化水平不斷提高，工業園內對電源敏感的高科技電力設備越來越多，電能質量的實時監測是提高生產效率、節能減排、安全生產的關鍵，本文針對東莞高科技產業園對電能質量的要求，提出了一種基于ZigBee無線傳感網絡的電能質量實時監測系統。該系統不僅具有強大的測量和通信功能，而且具有組網方便、動態拓撲、低成本、大容量、高可靠性的特點[1]，能很好地滿足高科技工業園電能質量實時監測的實際需要。

1 系統概述

系統結構如圖1所示，由數據采集節點，ARM9 S3C2440控制模塊（匯聚節點）、本地上位機、遠程監測管理中心組成，數據采集節點分布在每個需要監測的電源點，比如：每臺精密加工設備，每臺變頻調速驅動器，自動化生產線等；S3C2440模塊（匯聚節點）分布在離數據采集節點約40 m距離的范圍內，本地上位機分布在各廠監控室，遠程監測管理中心放置在工業園電力管理中心，各部分的功能如下：

（1） 數據采集節點：由電壓、電流互感器、信號調理電路、頻率同步電路、A/D、DSP及ZigBee模塊組成，電壓、電流互感器將從電網上得到的電壓、電流信號轉換成適合A/D 轉換的交流小信號，經濾波后輸入到A/D轉換器， DSP讀取A/D 轉換結果并進行相關電能質量參數運算和分析，分析結果通過CC2530無線通信模塊傳送至ARM 控制中心，頻率同步電路的作用是減小非同步采樣造成的FFT算法中的柵欄效應。

（2） S3C2440模塊（匯聚節點）：由ARM9 S3C2440、SDRAM、ZigBee模塊、以及看門狗、時鐘等外圍電路組成。S3C2440模塊是系統下位機的管理控制中心，負責數據采集節點和本地上位機之間的通信與數據交換，ZigBee模塊作為協調器，負責通信鏈路及路由的建立以及數據包協議轉換等。

（3） 本地上位機：本地使用PC作為上位機，完成數據收集、數據分析、結果顯示及存儲等功能。

（4） 遠程監測管理中心：遠程用戶通過互聯網接入本地上位機的服務器平臺，通過“終端?服務器”的形式完成對本地上位機的操作，從而實現數據和信息的共享。

2 無線收發器

在常用的無線傳感協議中，ZigBee以其覆蓋范圍寬、容量大、組網簡單、網絡可自由擴展、聯網耗時低、安全、低功耗、低成本等優勢受到更多的關注，本系統選用CC2530 ZigBee模塊作為無線收發器，CC2530是TI在 2009年推出的，在CC2430的基礎上根據CC2430實際應用的一些問題做了一些改進，存儲容量最大支持到256 KB，可編程的輸出功率高達4.5 dBm，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，通信距離最遠可以達到[2]400 m，對于中小型工廠，不用外加功放來擴展距離，只需要一個匯聚節點即可滿足全廠范圍內的電能質量監測，強大的5通道DMA控制器使硬件外設能實現數據的高效傳輸，從而滿足系統實時監測的需求。

CC2530電路原理如圖2所示，CC2530與S3C2440通過UART0連接，與DSP通過串口連接。電路中的[C251，][C261，][L1]共同作用為CC2530的內部PA和LNA提供直流偏置， [C252，][L261]和[C262，][L252]分別是LC巴倫電路的低通濾波電路和高通濾波電路，它們負責差分信號和單端信號之間的轉換和阻抗匹配，[L2，][C1，][L3]是pi型濾波電路。

2.1射頻電路及天線設計

為了提高射頻模塊的兼容性和抗干擾性，同時方便調試，本設計將數據采集、分析及處理模塊與射頻收發模塊分別設計成2個不同的PCB。CC2530芯片及其外圍電路、電源以及接口電路集成在長度36 mm、寬度25 mm的印制電路板上。

PCB板設計采用雙層板，為了避免兩層接地層沿銅皮走線產生電位差，在上下兩層的開放區和芯片底部添加過孔，使整個模塊能夠充分接地，使地面保持等電位。導通口距離計算公式如下：

[ξvia=cεr*fres] （1）

式中：c表示光的傳輸速率；[εr]表示板子的介電常數，本設計中為63.2 mil。

采用Cadence的Allegro PCB Design GXL軟件進行手工布線，生成PCB版圖。布線的時候要注意以下幾個方面以提高其電磁兼容性[3]：

（1）在敏感信號周圍用接地孔，或者用封閉的殼來進行屏蔽，減少干擾。

（2）在射頻端口采用差分線路以提高抗干擾能力，布差分線的時候采用Cadence的約束管理器，使設計的PCB滿足差分走線長度匹配規則。

（3）采用ADS的line_calc工具進行饋線設計實現阻抗匹配，避免反射信號。

（4）晶振下層不布線，走線盡量短，并遠離其他敏感器件。

2.1.1 天線設計

設計采用印制倒F天線，選擇相對介電常數為4.5，敷銅厚度是0.035 mm，厚度為1. 0 mm的FR?4板材， 倒F天線的結構如圖3所示。天線的建模與仿真采用HFSS軟件[4]， 參考TI公司提供的2.4G IFA的設計尺寸，以及文獻[5]中關于倒F 天線的輸入阻抗與天線尺寸之間的關系，通過分析計算，反復微調各個參數，在諧振頻率約為2.45 GHz， 阻抗接近于50 Ω時，設計的天線參數見表1。

圖3 倒F天線結構圖

2.1.2 巴倫電路設計

CC2530的收發是通過差分端口 RF_P， RF_N來完成信息的收發的，因為CC2530射頻端口是一個差分端口，而天線端是單端口，所以需要匹配電路進行端口轉換并實現天線的50 Ω到差分端口的阻抗匹配，圖2中的[L261，][C262，][L252，][C253]組成巴倫電路用以平衡轉不平衡。巴倫電路的[L，][C]計算公式如下：

[ωL=2ZoutZin] （2）

[ωC=12ZoutZin] （3）

式中：[Zout]和[Zin]分別是芯片射頻端口和天線端口需要匹配的阻抗值。根據TI的CC2530的芯片手冊，系統在工作頻率，射頻端口的阻抗是[（69+j29）Ω，]倒F天線的特征阻抗是50 Ω，可以計算得到各元件參數值。

表1 倒F天線設計尺寸 mm

[參數＼尺寸＼參數＼尺寸＼參數＼尺寸＼參數＼尺寸＼H1＼5.96＼H6＼1.24＼L2＼16.84＼L7 ＼3.35＼H2 ＼0.78＼H7＼0.81＼L3＼2.28＼L8＼0.45＼H3＼1.35＼H8 ＼1.80＼L4＼4.95＼W1＼1.21＼H4＼2.32＼H9＼0.61＼ L5 ＼1.00＼ W2 ＼0.46＼H5＼0.67＼L1＼26.42＼L6＼1.00＼＼＼]

（1） 使用Agilent公司的ADS軟件進行電路原理圖仿真來驗證巴倫電路的特性，設置掃描頻率為2～3 GHz，仿真結果顯示在2.45 GHz天線端口的回波損耗為-26 dB，如圖4所示。天線端阻抗為[（50.407-j1.542）Ω]。

圖4 天線端口的回波損耗

（2）采用TI公司的專用于評估和配置射頻硬件的應用程序SmartRF Studio 7[6]進行CRC校驗、RSSI及丟包測試，實驗結果顯示接收數據的CRC正確，RSSI值符合隨發送功率線性增長的規律，丟包測試中，當射頻模塊通信的平均RSSI為-56 dBm，接收了156個數據的吋候丟包率為4.1%，說明通信質量可行。

（3）分模塊進行實際測試，采用頻譜分析儀對巴倫匹配電路的輸出信號進行頻譜分析，通過調節匹配電路的電感電容值大小，使巴倫匹配電路的輸出端在2.45 GHz頻率的信號峰值達到最大。天線測試時將50 Ω同軸線一端的內芯焊接到天線的饋電測試點，外層就近接地，另一端通過帶SMA接頭的校準線連接到安捷倫公司的E5071矢量分析儀進行測量，測試頻率為2～3 GHz。實際測得在2.45 GHz天線端口的回波損耗為-22 dB。

2.2通信軟件設計

通信程序設計采用ZigBee2006協議棧為開發模板，通過在應用層添加自己的應用程序來實現。數據采集節點的程序流程如圖5所示。

圖5 發送數據程序流程圖

3 結 論

本文提出的基于無線傳感網絡的大型工業園電能質量實時監測系統，利用ZigBee無線傳輸模塊實現ARM 與DSP 之間的通信，省去了復雜的布線環節，節約了大量的精力和成本，在實際組網點對點通信測試中，無線傳輸模塊的室外直線傳播距離超過300 m，室內有障礙時傳播距離超過40 m，最大傳輸時延小于80 ms，具有自組網功能。該系統可對電網諧波的有效值、功率及功率因數、諧波畸變率、諧波含有率、電壓波動與閃變、三相不平衡度等多種電能質量參數進行測量。系統具有低成本，高可靠性，高容量、組網簡單等特點，適用于工業園中自動化生產線精密儀器、設備的電能質量的實時監測，對高科技工業園提高生產效率，節能減排具有實際意義。

參考文獻

[1] 馬麗萍，張衛國.基于ZigBee的電能質量監測系統的研究與設計[J].電源技術，2012，36（8）： 1192?1195.

[2] Texas Instrument. CC2530 [EB/OL]. [2010?10?05]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/swrs081b/swrs081b.pdf.

[3] 陳偉，黃秋元，周鵬，等.高速電路信號完整性分析與設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4] 李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5] LOW Z N， CHEONG J H， LAW C L. Low?cost PCB antenna for UWB applications [J]. IEEE on Antennas and Wireless Propagation Letters， 2005， 4： 237?239.

[6] Texas Instrument. SmartRF Studio 7 hands?on user guide and tutorial [EB/OL]. [2011?08?19]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru194b/swru194b.pdf.