基于ZigBee技術的電臺電能監測系統

方志松

摘 要：隨著現代社會的飛速發展，電臺中各類用電設備在快速增加，如何規范高效的使用這些用電設備，而又最大限度地節約能源是節約型電臺建設的一個主要內容。對電臺中各類用電設備用電情況進行實時監測是科學有效管理的基礎，文章根據電臺實際出發，結合現代通信技術，設計了一種基于ZigBee技術的電能監測系統。通過對系統進行試運行，其結果顯示該系統能夠方便、準確的對電臺中各個監測點進行實時遠程電能質量監測，為節約用電管理成本，提高電臺能源管理水平提供了較好的支持。

關鍵詞：ZigBee；電能質量監測；無線傳感網絡

1 ZigBee技術

ZigBee無線組網通信技術是近幾年迅速發展起來的一種低功耗近距離通信技術。相對于其它無線通信技術來說，其具有應用靈活、蓄電時間長、自組網能力強、成本低以及可靠性高等特點[1]。ZigBee無線通信網絡中的節點根據通信能力的差異可以分為全功能設備節點（FFD）以及精簡功能設備節點（RFD）。其中FFD節點具備ZigBee協議中的全部功能，同時具備一定的計算能力以及較大的存儲容量，可以在無線通信網絡中實現協調器和路由器功能，并可以當作終端節點進行工作；而RFD節點只具備ZigBee協議中所描述的部分功能，其只能當作終端節點工作，復雜度和成本相對較低。全功能設備節點FFD設備之間以及全功能設備節點FFD設備與精簡功能設備節點RFD之間都可以進行直接通信，但是精簡功能設備節點RFD之間無法直接進行通信，它必須與FFD設備節點直接進行通信，或者通過FFD設備節點進行數據轉發來實現通信。

2 ZigBee無線傳感器網絡節點設計

目前市面上的ZigBee芯片種類較多[2]，常見的包括TI/Chipcon公司的CC2430、Ember公司的EM2420以及Freeseale公司的MC13192等。各類芯片均有自己的優點并且具有獨立的解決方案。其中TI/Chipcon公司的CC2430芯片是目前最為常用的一款ZigBee芯片，同時也是一款真正意義上的嵌入式ZigBee應用的片上系統。因此，文章選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路搭建無線通信模塊。

2.1 傳感器節點設計

圖1所示為傳感器節點的硬件設計原理框圖，系統通過模塊化的方式進行設計，主要功能模塊如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片選擇C8051F020單片機；（2）無線通信模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構建無線通信模塊；（3）電能計量模塊：利用ATT7022功率芯片及其外圍電路構建電能計量模塊；（4）對時模塊：采用1302時鐘模塊；（5）人機交互模塊：包括鍵盤、顯示等多個模塊；（6）開關控制模塊：主要包括繼電器控制模塊，比如開合閘控制等；（7）安全報警信息采集模塊：主要對變壓器電力運行狀態信息進行采集；（8）數據存儲模塊：利用鐵電存儲器24C512對采集模塊所收集的數據進行存儲。

圖1 傳感器硬件設計框架

2.2 路由器節點設計

圖2 ZigBee路由器節點硬件設計框架

如圖2所示，給出了ZigBee路由器節點的硬件設計框架，路由器節點的功能模塊具體如下：（1）無線通信模塊+MCU控制模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構建無線通信模塊：（2）數據存儲模塊：采用鐵電存儲器24C512對所采集的信息數據進行存儲。

2.3 協調器節點設計

圖3 協調器節點硬件設計框架

如圖3所示為協調器節點硬件設計框架，其主要功能模塊描述如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片選擇C8051F020單片機；（2）無線通信模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構建無線通信模塊；（3）對時模塊：采用1302時鐘模塊；（4）數據存儲模塊：采用鐵電存儲器24C512對所采集的信息數據進行存儲；（5）以太網通信模塊：選擇以太網控制芯片RTL8019AS及其外圍電路構建以太網通信電路。

3 系統的運行監測

系統的各個監測節點以每個工頻周期采樣256個點的采樣周期，對監測點的電力數據進行不間斷采集。通過傳感器對電網中的三相電壓、電流信號進行收集，同時利用CC2430自帶的A/D轉換器將采集的數據轉變為數字化信息，將ZigBee協議棧以及監測節點的應用程序存儲在鐵電存儲器24C512中。監測節點采用接觸式測量方式對被監測點的電力數據進行測量，監測點選擇用電設備附近布置。監測點的電源模塊主要采用電磁感應原理，通過在用電設備電源進線端套接取能線圈的方式，將導線的電磁能量轉換到二次側取電能，同時通過整流濾波等方式實現隔離式供電，避免對監測點的傳感數據產生影響。路由節點僅需要實現數據的無線發射與接收，相對與監測節點來說，硬件上不涉及模擬量的轉換，供電方式可以采用電池供電。

系統的監控中心分為本地監控中心和遠程監控中心兩個部分[3]，其中本地監控中心接收ZigBee組網中所有監測節點的數據，通過小波變換和支持向量機，對監測節點的電能質量變化情況進行識別，同時將各監測節點收集的數據存儲起來，實現遠程監控中心對各個監測節點電能質量的監測。遠程監控中心通過以太網通信模塊，接收ZigBee組網中所有監測節點的數據，通過系統的硬件接口與PC端進行連接，并借助于上位機軟件將所有監測節點的電能質量狀態在顯示屏中顯示出來，從而使監控中心工作人員能夠對各個區域的電能質量進行實時監控，有效提高了控制中心的分析、決策能力，提升管理的智能化水平，并為電力的合理分配以及電力系統的可靠安全運行提供實時依據。

4 結束語

為了滿足電臺電能監測的要求，文章提出了一種基于ZigBee技術的電能質量監測系統。ZigBee無線網絡模塊性能穩定、高效，同時具有完善的軟件功能，能夠為電能質量監測系統的實現提供很好的技術支持。從對節點的測試情況來看，系統能夠很好的實現對各個節點電能質量的監測，這對類似單位的電能管理工作提供了很好的解決方案。

參考文獻

[1]王玲，康健，鄒宏亮，等.實時電能質量監測系統的構建及應用[J].電力系統保護與控制，2011（2）：108-111.

[2]余曉鵬，李瓊林，杜習周，等.基于IEC 61850的電能質量監測終端數據分析及模型實現[J].電力系統自動化，2011（4）：56-60.

[3]李小博，黃新波，陳紹英，等.基于ZigBee網絡的智能變電站設備溫度綜合監測系統[J].高壓電器，2011（8）：18-21+32.