基于ZigBee的無線振動傳感器設計與實現*

湯 明,鄭 婧,黃文婷,吳 迪,黃 海

(浙江大學儀器科學與工程學系,杭州 310013)

電力變壓器的狀態監測和故障診斷研究對維護電網的健康運行有重要意義。目前,振動分析法被證明是一種有效、便捷,并具有良好發展前景的電力變壓器在線監測方法[1-3]。該方法通過對變壓器油箱表面振動的監測、分析與診斷獲得變壓器的狀態和故障信息,與整個電力系統沒有電氣連接,從而可以快速、安全、可靠地達到變壓器在線狀態監測與故障診斷的目的。目前大多數振動監測設備均采用有線的ICP壓電加速度振動傳感器進行振動采集[4-6],其具有頻率響應、測量精度和信噪比高的優點。然而布置有線傳感器時其位置往往受限于接線長度,極大得限制了振動測量范圍;同時由于有線傳感器與采集設備間存在物理連接,極易受到外界影響(碰撞、拉扯接線),導致傳感器位移、掉落,從而影響測量結果;另外,檢測的安全性和設備管理的規模性也存在一定的影響。因此,使用無線傳感器替代有線傳感器,可有效規避上述問題,且可極大的簡化和方便測量過程。

為此,本文在分析ZigBee無線傳感器網絡、MEMS數字傳感元件的特點和關鍵技術的基礎上,提出了一種面向變壓器狀態帶電監測中振動信號的采集與傳輸,采用ZigBee無線通信技術構建無線傳感器網絡的無線傳感方案[7-9]。

1 無線振動傳感器設計

無線振動傳感器的設計主要包括硬件部分與軟件部分。

1.1 硬件設計

1.1.1 無線傳輸方案選擇

現有的較為主流的無線傳輸方式主要有藍牙,WiFi,ZigBee等,這幾種方式各有特點,適用于不同通信場景。其中藍牙數據傳輸速率較快,但存在傳輸過程中數據包大小受限的缺點,且通信距離較短;WiFi近年來被普遍應用,其傳輸距離較遠,組網方便,主要缺點是功耗較高;相比于以上幾種,ZigBee方式存在低功耗,低成本和組網功能強大的特點,但在數據傳輸速率和時延方面存在短板。

由于系統需要滿足低功耗,低成本,通信距離適中的要求,且需具有一定的安全性。對比以上幾種通信方式,ZigBee的功耗最低,同時其傳輸距離、傳輸速率、成本和安全性均滿足系統要求,且具有強大的組網功能。故本設計選用ZigBee的無線通信方式。

1.1.2 傳感原件選型

振動加速度傳感器的選擇主要考慮在滿足采樣參數的情況下,選取功耗低和體積小的解決方案。本文選取MEMS傳感元件作為振動采集元件,使整個傳感器系統微型化,滿足了對體積和空間要求苛刻的應用場景,同時從MEMS讀出的時數字化的數據,降低了外界干擾,提高了傳感器系統的電磁兼容性。

根據參數進行選擇,最終確定的傳感器型號為ADIS16006,該傳感器具有功耗低、體積小,可滿足雙軸采集的特點。傳感器具體參數如表1所示。

表1 ADIS16006的主要性能參數

1.1.3 硬件總體方案設計

本設計采用微功耗MEMS振動傳感元件和ZigBee無線模塊實現微功耗無線振動傳感,并適用于多振動測點節點的物聯網形式的電力變壓器油箱表面振動監測方案。方案首先通過各無線振動傳感器采集振動信號,并將振動信號通過無線傳輸方式,傳輸至變壓器振動狀態監測系統(下位機)進行處理與存儲,最終通過網絡通訊將處理后數據送入客戶PC端軟件(上位機)進行進一步的數據分析與診斷。無線傳感方案總體示意圖如圖1所示。

圖1 無線振動傳感器應用示意圖

由圖1可知,無線傳感器主要包括終端和協調器兩部分。終端上集成了加速度傳感器,使用時貼附在變壓器油箱壁,主要負責信號的采集和無線傳輸,由振動傳感器、數據處理控制模塊、無線通信模塊、串口通信模塊、電源模塊構成。協調器負責信號的接收和存儲,由數據采集模塊、數據處理控制模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。在現場采集時,因為多信號采集矩陣的需要,設置多個終端進行信號采集,多終端和協調器組成無線傳感器網絡進行信號傳輸。

1.1.3.1 終端節點硬件設計方案

無線傳感器節點由數據采集模塊、數據處理控制模塊、無線通信模塊和電源模塊構成,如圖2所示。數據采集模塊為加速度傳感器ADIS16006,負責采集節點的振動數據;數據處理控制模塊主要包含微處理器和存儲器,分別負責節點的控制、節點數據處理和保存;無線通信模塊主要由無線收發器構成,負責控制信號、采集信號及其他傳感器節點信號等的通信傳輸;電源模塊則負責整個節點的能量供給。

圖2 終端節點模塊框圖

1.1.3.2 協調器節點硬件設計方案

協調器節點由數據處理控制模塊、無線通信模塊、串口/SPI通信模塊、電源模塊構成,如圖3所示。數據處理控制模塊、無線通信模塊、電源模塊的設計與終端節點相似,不再贅述。SPI通信模塊,為微處理器和之后的監測系統之間通信提供了手段。

圖3 協調器節點模塊框圖

1.1.3.3 器材選型與相關電路設計

終端節點包含主控模塊、無線收發模塊、數據采集模塊、電源模塊;協調器節點包含主控模塊、無線收發模塊、串口通信模塊、電源模塊。協調器和終端節點中,無線通信模塊、供電模塊、串口模塊實現相同,無線傳感器模塊為終端獨有。以下為主要模塊電路設計。

ZigBee通信的芯片選用CC2530F256,CC2530能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。芯片集成了增強型8051 CPU,系統內可編程閃存,8kB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530具有多種不同的運行模式、且運行模式之間的轉換時間短,保證了系統的超低功耗。CC2530核心板電路原理圖如圖4所示,預留了兩接口,以便擴展應用。

圖4 無線通信模塊電路圖

傳感器選擇ADIS16006,該傳感器是一款低成本、低功耗的雙軸加速度計,含SPI外設接口,且各參數滿足前述振動信號采集的需求。其主要性能參數詳見表1,其最高采樣頻率可達10KHz,在實際現場應用時選取4 KHz進行采集。本文外圍電路采用其典型電路設計,如圖5所示。

鑒于無線傳感器網絡節點分布特點,多數應用場合供電條件受限,節點模塊一般采用電池供電。經實驗驗證,紐扣電池供電能力不足,兩節7號干電池又會增加終端的體積,所以最終我們采用3.7 V鋰電池供電。由于模塊中的無線通信、傳感器子模塊均使用到3.3 V電源供電,所以需要對3.7 V的鋰電池輸入電壓進行降壓穩壓處理,采用HT7533穩壓芯片。應用電路如圖6所示。

圖5 傳感器子模塊電路圖

圖6 供電及穩壓模塊電路圖

1.2 軟件設計

本設計的軟件部分主要實現振動信號的采集、無線傳輸和存儲,并最終通過接口將采集到的信號傳輸至變壓器振動監測系統。通過組建星形網絡由9個終端設備進行振動加速度信號采集并將信號無線發送給協調器,協調器負責信號的無線接收,存儲并傳輸至監測系統。其整體的功能和架構如圖7所示。

圖7 無線模塊工作整體流程圖

ZigBee無線網絡的實現,是建立在ZigBee協議棧的基礎上的。對于CC2530,TI公司提供了完善的Z-Stack協議棧,該協議棧可以實現復雜網絡的組網實現。

1.2.1 系統初始化

系統初始化是為操作系統的運行做好準備工作的,主要分為初始化系統時鐘、檢測芯片電壓是否正常、初始化芯片內部的堆棧、初始化硬件板的配置、初始化芯片各個硬件模塊、初始化Flash存儲、形成節點MAC地址、初始化一些非易失性變量、初始化MAC層、初始化應用架構層、初始化操作系統、使能全部中斷等十余項。

OSAL操作系統實體由一個無限循環的函數開始:osal_start_system()。這個函數就是輪轉查詢操作系統的主體部分,它所做的就是不斷地查詢每個任務是否有事件發生,如果發生,就執行相應的函數,如果沒有發生,就查詢下一個任務。在開發應用層的時候,通過osalAddTasks()函數創建 OSAL 任務來運行任務程序。

1.2.2 數據采集程序設計

數據采集是無線模塊的重要的部分。當終端模塊接收到協調器廣播發送的采集開始命令后,布置在變壓器油箱壁上的9個終端設備同步開始采集。每個終端根據定時器定時采集1 s的數據,共計 8 000 byte。采集滿1 s之后各終端根據程序預設依次將數據無線發送至協調器。

數據采集的流程如圖8所示。

圖8 數據采集流程圖

1.2.3 無線通信模式設計

該無線傳感器網絡含有9個終端節點和一個協調器節點,組成星型網絡進行無線通信。星型網絡拓撲的示意圖如圖9所示,中心節點為協調器,外圍的設備為終端采集設備。

圖9 星型網絡拓撲示意圖

在該拓撲結構中,網絡中的各終端節點通過點到點的方式連接到協調器節點上,由協調器進行命令的廣播和網絡配置。當終端設備加入ZigBee網絡時會被分配一個短地址,在其所在的網絡中是唯一的。這個地址主要用于在網絡中辨識設備,傳遞信息。

當終端將采集數據包傳輸到協調器之后,協調器若是沒有收到數據,底層會啟動數據重發機制。上層對數據進行長度校驗,若是校驗不通過,則丟棄該包數據。校驗通過之后,協調器將各終端數據按通道進行存儲。

2 實現與測試

設計的無線振動傳感器實物如圖10所示,其中圖10(a)為無線傳感終端,其底部安裝有磁座,方便傳感器安裝。圖10(b)為協調器。

圖10 無線振動傳感器實物圖

2.1 標準振動臺測試

基于振動分析的變壓器診斷中,關注的振動信號頻段在1 000 Hz以內,振動幅度在0.5gn～2gn。為了驗證該無線傳感器在該頻段、振動幅度內的采樣性能,在標準振動臺上進行了測試。在輸入振動信號峰峰值分別為2gn和0.5gn的情況下,設置不同掃頻頻率,并與系統的采樣輸出進行比較[10-11]。

對應不同峰峰值在不同掃頻頻率下接收端采樣信號幅度如表2和表3所示。

表2 2 gn振動輸入信號在不同掃頻頻率下的采樣結果

表3 0.5 gn振動輸入信號在不同掃頻頻率下的采樣結果

無線接收端的波形如圖11和圖12所示(因篇幅有限,僅列出部分波形)。

圖11 輸入信號為160 Hz 2 gn峰峰值時的接收波形

圖12 輸入信號為160 Hz 0.5 gn峰峰值時的接收波形

由表格和波形圖的結果可以看出在頻率不是太高的情況下,無線采集的信號幅度準確性較高,且波形為標準正弦波,當頻率上升到1 kHz以上時,采集幅度的準確率有所降低,這與采樣頻率設置為4 kHz有關。當輸入信號峰峰值幅度降低時,接收端的信號幅值基本正確,但波形質量有所下降,波形中存在畸變。

圖13 富陽變1號主變的測點布置圖

2.2 現場測試

為了進一步測試無線模塊的性能,本文所設計的無線振動傳感器應用于杭州電力局的富陽變一臺正在運行的110 kV三相電力變壓器的在線監測中,并分別采用有線和無線兩種傳感器模式進行監測并進行波形對比[12-14]。測試中所使用的有線傳感器為ICP傳感器,靈敏度為500 mV/g。

現場的測點布置圖如圖13所示,有線ICP傳感器和無線傳感器各測點位置非常接近(如圖14),以期盡量減小兩類傳感器因放置位置不同而引入的差異。

圖14 有線傳感器與無線傳感器實際布置圖

1號位置測點有線和無線采集信號的波形對比如圖15所示。1號測點有線和無線采集信號的頻譜對比如圖16所示。

圖16 1號測點傳感器采集頻譜圖對比

圖15 1號測點傳感器采集波形圖對比

由無線傳感器采集得到的波形圖可觀察出波形呈現周期規律,且由頻譜圖可觀察出能量集中散布在50 Hz的倍頻上,符合變壓器的振動規律。

此外,由以上1號測點的有線和無線采集的波形對比圖和頻譜對比圖可以看出無線采集和有線采集得到的波形的形狀和幅度以及頻譜的分布基本保持一致。無線采集的信號更易受外界信號的影響,因此在接收到的無線原信號的基礎上進行了三點平滑濾波。濾波的結果和有線采集結果對比,信號的一致性更為強烈,這一點在波形圖表現得尤為明顯。

綜上,通過對無線傳感器采集得到的信號的分析,以及對無線采集方式和有線采集方式得到的信號的比對可知,無線傳感器能夠實現對變壓器油箱壁振動信號的采集,且具有與有線ICP傳感器相當的性能指標。

3 結束語

本文設計了基于CC2530與ADIS16006的變壓器振動無線傳感器模塊,重點介紹了ZigBee網絡節點終端及協調器的軟硬件設計。該網絡以低成本、低功耗等為設計目標,減少了有線傳感方案中現場布線的不便以及可能引入的誤差。振動臺試驗與現場測試結果表明,該傳感器模塊可基本滿足變壓器振動監測的精度要求。

此外,本設計采用的無線傳感網也具有一些固有的不足:如傳輸速率不高、通信距離有限、對現場環境干擾有一定要求等,因此該系統僅適用于對數據實時性要求不高、通信距離短、且現場環境中2.4 G頻段干擾小的場景。

[1] Zheng J,He T T,Guo J,et al. Adaptive Separation of Vibration Signal of on-Load Tap Changer Based on Independent Component Analysis and Endpoint Detection[J]. Power System Technology,2010,34(11):208-213.

[2] Guo J,Chen X X,Huang H. Application of CRP to Detection of Transformer Core Clamping Fore Drop[J]. High Voltage Engineering,2010,36(10):91546-91553.

[3] Feng Y X,Deng X W,Fan L L,et al. Vibration Method for Large Power Transformer Fault Diagnosis and its Trend[J]. Transformer,2009,46(10):69-73.

[4] Chen X X,Wang J D,Huang H. HHT Based Method for Monitoring Core Clamping Pressure of Power Transformers[J]. Journal of Vibration and Shock,2010,9:9-12.

[5] Huang H,Pan J Q,Zheng J. Three-Dimensional Vibration Analysis for Power-Transformer Core Using Chebyshev-Ritz Method[J]. Proceedings of the CSEE,2003,23(6):154-158.

[6] Guo J,Chen X X,Huang H. Application of Kurtosis in on Line Detection of Transformer Iron Core Looseness[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,11:2401-2407.

[7] 張沖,熊勇,房衛東,等. ZigBee網絡性能測試系統研究[J]. 國外電子測量技術,2015(8):74-81.

[8] 王世平,王志武,顏國正. 基于ZigBee的可穿戴式病房無線監護系統[J]. 傳感技術學報,2015,28(10):1563-1569.

[9] 梅海彬,張明華,黃冬梅. 基于無線傳感器網絡的實時近海環境監測系統設計[J]. 計算機應用與軟件,2015(1):110-113.

[10] 秦麗,王孟美,何蘊澤,等. 振動環境下MEMS加速度計的可靠性評估[J]. 傳感技術學報,2016,29(5):670-674.

[11] 尹杭,張偉,袁琳峰. 一種MEMS加速度計誤差分析與校準方法[J]. 傳感技術學報,2014,27(7):866-869.

[12] Hong K X,Huang H,Zhou J P. Winding Condition Assessment of Power Transformers Based on Vibration Correlation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2015,30(4):1735-1742.

[13] Zheng J,Pan J;Huang H. An Experimental Study of Winding Vibration of a Single-Phase Power Transformer Using a Laser Doppler Vibrometer[J]. Applied Acoustics,2015,87:30-37.

[14] Hong K X,Huang H,Zhou J P,et al. A Method of Real-Time Fault Diagnosis for Power Transformers Based on Vibration Analysis[J]. Measurement Science and Technology,2015,26(11):115011.