一種智能電網信息無線傳輸與控制平臺的設計與實現

劉軼強

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一種智能電網信息無線傳輸與控制平臺的設計與實現

劉軼強

（海軍駐湖南地區代表室，湖南湘潭 411101）

為實現智能電網參數的無線傳輸，本文利用藍牙技術、NRF24L01高頻頻射收發技術結合Android系統設計了一種無線傳輸與控制平臺。在系統采集端、中樞服務端分別采用PIC18F1320和PIC16F876為核心控制芯片，控制終端是基于Android系統的數據處理與存儲軟件。最后以電網環網柜中母線溫升參數的采集與傳輸為例對本無線傳輸與控制平臺進行調試，驗證其可行性。

智能電網 無線傳輸 藍牙技術 Android系統

0 引言

通信與信息技術是智能電網建設的核心領域之一，對智能電網不同結構與組件之間的聯系、以及電網操作提供了可靠的樞紐平臺[1]。目前在智能電網狀態檢測數據傳輸中仍以有線數據傳輸為主，其成本高，且極大程度的限制傳輸距離[2]。在智能電網中采用藍牙和無線電通訊進行數據傳輸可以避免有線傳輸的諸多缺陷。如今智能手機的功能日漸強大，將其作為數據采集與控制終端已成為可能。智能電網的數據傳輸勢必會向無線化發展，因此無線數據傳輸與控制平臺的開發有廣闊的發展前景。

1 無線傳輸技術簡介

1.1 藍牙技術

藍牙技術是近年來發展迅速的短距離無線通信技術，可以用來替代數字設備間短距離的有線電纜連接。藍牙技術具有很強的移植性，采用2.4GHz ISM頻段和調頻、跳頻技術，適用于多種場合，其主要技術特點如圖1所示。

藍牙技術構建數據采集無線傳輸系統，與傳統數據線或紅外傳輸方式相比，在測控領域的主要優點如下：

1) 在強電磁干擾的數據采集現場，可有效地提高數據傳輸的安全性和抗干擾能力。

2) 無須鋪設線纜，降低環境改造成本。

3) 可多方位進行測控數據的傳輸，實現多個測控儀器設備間的連網，便于進行集中監測與控制[3]。

圖1 藍牙技術主要技術特點分布圖

1.2 NRF24L01無線收發芯片

NRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型Shock Burst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，實現一對六通訊。

1.3 Android系統應用形勢

Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平臺的開源移動操作系統的名稱，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成[4]。如今手機普遍為Android操作系統，這為本無線傳輸與控制平臺的普及創造了有利條件。

2 系統概述

整個系統的工作流程如圖2所示。

主要包括以下幾個部分：

1）由終端對電網參數實時在線采集，然后將采集器采集的數據通過無線收發模塊NRF24L01發送到服務器。

2）服務器對數據進行處理，并將數據傳輸到上位機和維護人員。

3）在維護人員所持Android系統手機中安裝有監測軟件，可對數據進行顯示、分析、存儲及判斷工作狀態。發生故障時，通過智能手機的通訊網絡向上級進行電話或短信遠程報警。

3 智能電網參數無線傳輸與控制平臺的搭建

信息無線傳輸平臺，從以下幾個方面實現：基于單片機的藍牙通訊技術，單片機控制的NRF24L01數據傳輸，Android系統藍牙及數據存儲等功能的開發。

3.1 基于單片機的藍牙通訊技術

本系統采用串口通訊的方式在藍牙設備和主控制器之間傳輸數據。通過對藍牙協議的研究，采用藍牙模塊與主控制器（單片機）相連接的模式，向單片機寫入AT指令，通過USART傳輸層控制藍牙模塊，從而達到自動連接以及自動收發數據功能[5, 6]。藍牙系統硬件電路圖如圖3所示。

基于單片機的藍牙通訊技術實現了以下技術指標：

1）自動完成處于藍牙網絡中的藍牙設備連接。該模式針對事先配對好的兩個不同地址，但硬件完全相同的藍牙-單片機設備。。

2）搜索在通信范圍內所有同型設備或者其他具備藍牙功能的通信設備。搜索模式分為自動搜索和手動搜索。

3）可實現兩種接收方式：一種是藍牙設備與PC機等智能終端相連，由智能終端完成接收數據的工作；另一種模式是藍牙設備無需連接任何終端或接收機，直接將接收到的數據保存在外設FLASH當中。

3.2 單片機控制的NRF24L01數據傳輸

NRF24L01為新型單片射頻收發器件，集收發一體，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。該芯片干擾能力強，功耗低。在本平臺的設計中，信息采集終端采用PIC18F1320為核心控制芯片，中間中轉服務器采用PIC16F876為核心控制芯片。無線傳輸的軟件流程圖如圖4、5所示。

圖4 系統采集終端軟件流程圖

圖5 系統中間服務器軟件流程圖

3.3 Android系統開發

Android系統藍牙技術的具體開發流程如下：1）啟動藍牙功能；2）查找設備；3）查詢匹配好的設備；4）掃描設備；5）使能被發現；6）服務端的連接；7）客戶端的連接；8）管理連接。

基于Android系統開發出的采集與控制軟件的主要功能如下：

1）通過手機藍牙從中間服務器接收采集的數據，并實時顯示；

2）處理采集的參數，計算并顯示變化值，且可設定報警值；

3）有短信報警和電話報警兩種報警方式，報警號碼可任意設置；

4）采集的參數可以自動保存，保存時間間隔可設，保存文件為excel格式；

5）電話報警、短信報警及自動存盤的狀態可設、可顯示；

6）軟件基于智能手機自帶的相關傳感器還開發了部分附加功能，能夠檢測環境中的三維磁場強度、重力加速度及光強等，對電網環境的監測提供輔助。

4 基于本無線傳輸與控制平臺的實例

在智能電網繼電保護及其它工業領域中有許多參數需要實時監測，如母線溫升、電流、電壓、真空度、環境濕度等。由于實驗條件的限制，以環網柜中母線溫升的測量為例來實現本無線傳輸與控制平臺的調試。

溫度采集端通過溫度傳感器DS18B20分別對電網中母線的工作溫度進行采集，由單片機PIC18F1320將采集的溫度數據通過無線收發芯片NRF24L01發送至中樞服務端。溫度采集端的電路圖如圖6所示。中樞服務器接收數據，并采集環境溫度，由單片機PIC16F876處理后將母線溫升值輸送到上位機及由藍牙發送到智能手機中。中樞服務端的電路圖如圖7所示。

狀態檢測端是基于安卓手機操作系統開發的溫度采集軟件。本平臺主要是對Android系統的藍牙進行開發，實現狀態檢測端通過藍牙接收數據、儲存數據及數據分析等相關功能，并通過短信與電話實現遠程報警。上述軟件是為溫度參數的顯示開發的，針對不同信息的采集與顯示，只需要對軟件界面做適當修改即可。該軟件適用于Android2.2及以上的操作系統版本。

圖6 溫度采集端電路原理圖

圖7 中樞服務端電路原理圖

5 結論

本無線傳輸與控制平臺，實現智能電網工作狀態參數的無線傳輸，為電網安全、可靠、優質運行提供了重要支撐和保障。

通過理論研究和實驗測試得到以下結論：

1）采用NRF24L01無線模塊跳頻技術實現電網參數的高頻無線傳輸，傳輸速度快，抗干擾能力強。

2）單片機與智能手機之間通過藍牙技術實現點對點雙向通訊，保證了數據的加密性與穩定性。

3）采用JAVA語言完成對Android系統智能手機的開發，實現對電網參數信息的實時傳輸、存儲、分析與遠程報警。

[1] 賀春. 智能電網給中國電工行業帶來機遇與挑戰[J]. 電器工業, 2009(8): 24-28．

[2] 張征容. 智能電網淺述[J]. 云南電力技術, 2000(3): 28-32.

[3] 朱剛, 談振輝, 周賢偉. 藍牙技術原理與協議[M].北京交通出版社, 2002.

[4] 吳亞峰, 于復興. Android應用開發完全自學手冊[M].人民郵電出版社, 2013.

[5] 董自健. 用單片機實現HCI層的藍牙數據傳輸[J]. 淮海工學院學報, 2003, 12(2): 25-27.

[6] 楊戰社. 基于藍牙技術的數據傳輸[D]. 西安科技大學, 2005.

Design and Implementation of Wireless Transmission and Control Platform for the Smart Grid Information

Liu Yiqiang

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TN92

A

1003-4862（2013）12-0042-04

2013-09-04

劉軼強（1974-），男，工程師。研究方向：電氣工程。