基于SI1000的輸電線路狀態監測單元的設計

藍 彥，孫 駿，曹翊軍，羅孝兵

（南瑞集團水利水電技術分公司，江蘇 南京210000）

在架空輸電線路狀態監測領域中，需要針對導線溫度、金具溫度、導線弧垂、絕緣子風偏、覆冰厚度、微風振動等參數進行長期監測。由于各類參數的監測單元安裝位置是在輸電線路上,因此要求其體積盡可能小、重量輕、安裝方便。由于針對線上取電，相關部門有嚴格的條件要求，因此必須考慮合理的方式來解決監測單元的供電問題。針對以上的應用場合，本文介紹了一種微功耗的無線監測單元，采用了無線SoC片上系統的設計方案，使得其體積小、重量輕、功耗極低，僅使用電池供電，可以滿足監測單元在長期無市電的條件下可靠正常工作。

1 工作原理

無線監測單元工作原理框圖如圖1所示。

無線監測單元安裝于架空輸電導地線上，負責各類傳感要素的測量，例如導線溫度、金具溫度、導線弧垂、導線風偏等。傳感器將采集到的電測量接入微控制器SI1000，經SI1000處理后得到相應的物理量，然后通過無線射頻接口RF發送到在線監測單元。無線監測單元的電源采用鋰電池供電，降低了監測單元對外部電源的依賴性。在線監測單元通過SI1000單片機的無線射頻接口接收來自無線監測單元的數據，采集到的數據經過數據處理后，提供給遠程主站，主站可對輸電線路運行狀態進行實時的監測。由于在線監測單元的安裝位置不在架空線路上，其電源可通過多種方式提供。

每個無線監測單元有自己唯一的ID，主站可通過該ID地址來識別線路傳感器的類型和位置。無線監測單元采用自報的方式向主站系統傳送數據，每隔一定的時間間隔向主站報送數據，平時無線監測單元處于掉電狀態，因此無線監測單元功耗很小，可長期在無外部電源的供應下在線工作。

2 硬件設計

2.1 SI1000單片機功能特點

SI1000是一款微功耗、小體積并具備強大無線通信功能的51類型的單片機，作為無線采集單元的核心部件,負責采集傳感器的信號并通過無線射頻接口與主站通信。該芯片由美國Silicon Labs公司推出，內部集成了25 MHz的8051內核、EZRadioPRO系列的射頻模塊、64 KB的 Flash、4 KB+256 B的 RAM,封裝在 5 mm×7 mm的 42-pin QFN貼片中。

該處理器工作在掉電狀態僅有0.1 μA左右的電流，僅內部 RTC工作時，功耗為 0.6 μA。SI1000微控制器內部使用四線制 SPI總線(MOSI、MISO、SCK和 NSS)與射頻模塊進行通信，SI1000將射頻模塊作為外設進行訪問，可以通過設置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發的各項參數。SI1000內部的EZRadioPRO系列射頻模塊輸出頻率符合 ISM標準，可從 240 MHz～960 MHz調制輸出。具有接收、發送、空閑、掉電等多種工作模式，以滿足低功耗的應用要求，不同模式之間通過寄存器設置可自由切換。具有FSK、GFSK、OOK等多種無線傳輸調制方式，最大輸出功率達到20 dBm，接收靈敏度為-121 dBm，點對點最大傳輸距離能到2 000 m。具有AFC自動頻率控制功能，有效減小由于晶體精度、工作溫度引起的頻率誤差。

圖1 無線采集單元工作原理框圖

2.2 電路原理

無線監測單元的硬件電路原理如圖2所示，主要由電源、看門狗電路、無線射頻匹配電路、傳感器電路和SI1000單片機構成。

圖2 無線監測單元硬件原理框圖

其中，電源由鋰電池和3.3 V LDO線性穩壓源組成，鋰電池輸出3.6 V電壓經過3.3 V LDO轉換輸出3.3 V電壓，為整個無線采集單元電路供電。鋰電池體積小、便于安裝，重量輕，減輕了對輸電線路的承重，而且容量大，可滿足無線采集單元在輸電線路上長期監測的用電要求。

看門狗電路的輸入與輸出均連接到SI1000單片機的外部引腳上，其輸入作為SI1000給它的喂狗信號，輸出作為SI1000的復位信號。SI1000必須間隔一定時間喂狗，否則超出給定間隔時間后，看門狗將會輸出復位信號使SI1000復位。看門狗電路的主要作用是為了避免無線監測單元長期工作在無人值守的惡劣環境下意外出現死機現象，保證了單元長期運行的可靠性。

射頻阻抗匹配電路為SI1000單片機內部射頻模塊的外圍匹配電路，它與射頻模塊的收發信號相連接。匹配電路中的電阻、電容、電感參數與無線收發頻率相關，需根據無線頻率大小來匹配相應的參數值。

JTAG是SI1000單片機程序仿真下載接口。用戶可通過該接口將應用程序代碼下載到單片機的內部存儲空間，并進行在線仿真調試。

傳感器電路負責將架空輸電線路的狀態量轉換為數字信號接入到SI1000單片機，例如本設計中的溫度傳感器，其將感知的導線溫度轉換為數字信號通過數字接口接入到SI1000單片機。

2.3 射頻電路PCB板布線原則

無線監測單元的射頻電路部分為高頻電路，PCB板布線是否合理直接影響到整個無線監測單元的通信性能。在PCB板設計時，射頻收發電路平行直線布置，不能出現折彎甚至是交叉；射頻電路底層不能走信號線；低頻電路部分與射頻部分電路整體分開布置，數字地和模擬地之間使用磁珠隔離，并做到一點連接；射頻電路的地線使用大面積敷銅，接地點使用過孔直接連接到敷銅地，盡量減少對地阻抗；使用多層板進行PCB板布線，SI1000芯片底面接地點使用大過孔直接與多層的敷銅地連接。

3 軟件設計

無線監測單元軟件主要實現的功能有兩個：(1)通過傳感器采集線路上的模擬量數據；(2)將采集得到的數據通過無線方式傳送到主站。相對來說，數據采集部分的軟件設計較為簡單，下面重點介紹無線傳輸部分功能的軟件實現。

3.1 無線通信規約

該通信規約使用三層IEC模型，分別為物理層、數據鏈路層及應用層，包結構如圖3所示，其中前導序列、同步字為物理層，源地址、目的地址、報文長度、CRC校驗為數據鏈路層，數據為應用層。

前導序列為一串10101010位序列，可看作整個無線通信幀的起始標志，8 bit為 1 B，字節長度設置范圍為1～256。同步字為無線數據開始接收的時鐘同步標志，長度可設置為1 B～4 B。

圖3 無線通信IEC模型

在前導序列和同步字設定好之后，SI1000內部的序列檢測器將按照設定的前導序列進行匹配，匹配成功之后緊跟著定時接收設定的同步字，在同步字接收成功后，開始源地址和目的地址的接收。

源地址由4 B寄存器組成，可作為無線監測單元的地址匹配接收，源地址的每一位可以與無線監測單元地址的每一位進行匹配，只有是本單元地址的數據才進行繼續接收。

目的地址也由4 B寄存器組成，可用于存儲無線監測單元將要發送的目的地址。無線通信幀發送時，硬件將其自動添加到該幀中并發送。

報文長度存儲了發送的應用層數據長度,最大255 B。

CRC校驗為曼徹斯特循環冗余校驗碼，包括了從地址、報文長度、數據等三層的數據校驗。

3.2 無線傳輸機制

無線監測單元的射頻傳輸采用了載波偵聽/沖突檢測隨機避讓機制(CSMA/CD)，使用該機制避免了無線通道在不同節點互用時的沖突。流程圖如圖4所示。

在使用該機制時，必須先使能SI1000發送控制寄存器中的LBTEN位。無線傳輸前，先監聽0.5 ms，如果在這段時間無線通道是空閑的，通道空閑的檢測由RSSI接收信號能量監測器來完成，當接收信號能量小于某一門檻值時，RSSI將指示無線通道處于空閑狀態。然后繼續監聽4.5 ms，如果無線通道仍然空閑，則將數據幀發送出去。如果在4.5 ms期間，無線通道忙，則繼續監聽5 ms再加上一個隨機時間，隨機時間TPS=n×LPTI[6:0]，其中n為硬件自動產生的范圍從 0～15隨機數，LPTI是無線發送數據字節間隔時間寄存器。監聽期間，如果無線通道空閑，則將數據幀發送出去，否則判斷監聽次數是否小于設定的最大監聽次數，如果小于則重新開始監聽，否則返回通道發送錯誤信息。

圖4 無線監測單元射頻收發機制

3.3 無線監測單元工作流程

無線監測單元的基本工作流程如圖5所示。

在使用EZRadioPRO系列的射頻模塊前，首先需要初始化SI1000與其通信的SPI接口功能，使得SI1000處理器能對射頻模塊進行參數的配置和數據的讀寫，函數原型如下：

然后需要通過EZRadioPRO協議棧的EZMacPRO_Init()函數來初始化射頻模塊的基本參數和功能，函數原型如下：

圖5 無線監測單元工作流程圖

射頻模塊初始化完畢，SI1000進入睡眠狀態，等待自報時間到時開始進行傳感器的測量。數據測量完后，射頻模塊進入發送狀態并執行發送功能函數將傳感器采集得到的數據發送出去，執行發送功能函數時需要判斷發送是否成功，如果失敗，則重發，直到發送成功或者超出重試次數才退出發送，SI1000重新進入到睡眠狀態。

在無遮擋的開闊地環境下進行測試，無線采集單元可靠通信距離達到1 000 m；無線監測單元平時工作電流僅為微安級，理論上使用1節電池便能維持其連續工作5年，考慮到電源的損耗及電池本身老化的因素，無線監測單元可在無市電的條件下可靠運行3年；使用SI1000實現的無線SoC片上系統，簡化了外圍電路設計，也減小了整個無線監測單元體積，增強了單元的可靠性和實用性。

無線監測單元為架空輸電線路狀態監測提供了一個全新的解決方案，隨著智能電網的大力推廣和發展，將得到更加廣泛的應用。另外，本單元的適用性很廣，在無人值守、沒有市電、短距離長期監測的場合尤為適用。

[1]架空輸電線路智能監測裝置通用技術規范，2010.

[2]莊雄，楊永明，丁唯.基于 CC2431的無線傳感器網絡節點設計[J].電子技術應用,2008,34(6):98-101.

[3]單海東，盧東貴.基于Si1000無線微控制器的無線射頻測[J].自動化系統工程，2010(8):120-122.

[4]SILICON LABS Si1000/1/2/3/4/5 datasheet[EB/OL].[2010].https://www.silabs.com/support/pages/contacttechnicalsupport.aspx.

[5]SILICON LABS EZMAC AND EZHOP USER’S GUIDE datasheet[EB/OL].[2010].https://www.silabs.com/support/pages/contacttechnicalsupport.aspx.