基于ZigBee的電力參數測量系統

韋軍+方亞坤+楊振+江健

摘 要：本研究主要是將電力分析儀及數字電表測量到的數據經由Zigbee無線傳輸至PC機，并利用Zigbee連接板將各個感測節點測量到的參數一并傳輸至LabVIEW圖控軟件來顯示數值結果，透過計算機網絡進行遠程監控，達到長時間系統監測及數據記錄與分析的目的。

關鍵詞：電力參數測量；ZigBee；LabVIEW

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.178

1 緒論

目前的電力參數測量系統測量方式大多還是以電表連接線路為主，但是如果測量目標的距離不方便以線路連接時，則使用受到限制，例如：要在室外測量溫度、濕度、照度等參數時，都需要透過 RS-485 布線才可獲取到希望測量的數值。如今測量儀器均可搭配 RS-232 傳輸線連接至計算機，但在有線的情形下無法將測量距離拉遠。現在則可透過 ZigBee-CC2430 來傳送所需的參數，而且遠程測量亦可有效的提升效率與安全性。此系統能由ZigBee無線傳輸特性來有效提升感測距離，實現隨時隨地都可測量且攜帶方便的設備。

2 系統架構

本研究硬設備主要是PC機、電力分析儀 TES-3600、無線傳輸模塊 ZigBee-CC2530、Xbee連接板、數字電表 Protek608。程序軟件則使用LabVIEW圖控軟件與 IAR 軟件。LabVIEW是由美國國家儀器（National Instrument）于 1986 年發展出的圖控語言（Graphic Language），使用圖像對象函數的方式編輯程序，取代傳統用文字編輯的方式，讓使用者能簡單上手并了解程序結構。而系統的結構就像是虛擬儀表一樣，使用計算機對遠程的控制對象下達命令。而LabVIEW主要功能為訊號之測量、分析、數據儲存和數據獲取等，其應用程序架構分為兩部份，分別為前置面板（Front Panel）窗口與程序方塊（Block Diagram）窗口。前置面板窗口是屬于用戶的人機接口，也就是用戶使用計算機的窗口，可以執行數據和命令的輸入、顯示相關運算、監控及獲取結果等。面板窗口上有兩種重要的對象，一是輸入，稱為控制對象（ Control ），另一個輸出，稱之為顯示對象（Indicators）。通過不同的控制與顯示對象，以設計出一個虛擬儀表出來。至于設計前置面板之相關應用程序，就稱為程序方塊窗口。依前置面板所設計的虛擬儀表面板，進行相對應的程序撰寫。其中可能包含常用的數據結構、數組、常數、變量或更復雜的方程式等。IAR Systems 公司的產品 IAR Embedded Workbench 是一套整合開發環境，使用于 C 語言或C++編寫的嵌入式應用程序進行編譯和除錯。開發環境包含 IAR 的 C/C++編譯程序、匯編器、鏈結器、檔案管理器、文件管理器、工程管理器及 C-SPY 除錯器。兼容于 ARM、Samsung、Texas Instruments 等廠商的芯片。而本研究使用Texas Instruments的CC2530芯片為ZigBee架構，因此使用 for MCS-51 版本來開發。

本系統架構如圖 1 所示。在 PC 上利用LabVIEW軟件下指令，以Xbee芯片無線傳輸的方式，透過RS-232 接口轉換后給電力分析儀，使電力分析儀將測量到的數據透過無線傳輸的方式回傳到 PC 上的LabVIEW人機接口監控數值；也可在人機接口上利用無線傳輸接收數字電表回傳的數據。各個感測節點則經由 Zigbee-CC2530 連接板傳輸到節點收集參數，通過無線傳輸傳回到LabVIEW軟件進行監控。

3 討論

本研究以理論與實務相互配合，利用LabVIEW人機接口下達指令分別把電力分析儀和數字電表測量到的參數藉由Xbee芯片回傳封包數據到 PC 上，再整合各個感測節點偵測數據一起顯示在LabVIEW接口上，并可利用 PC 進行遠程監控，以達到長時間系統監測和數據紀錄分析。由于本系統采用無線傳輸的方式進行遠程監控，已經改善傳統利用接線來傳輸數據上的機動性及測量距離；傳統以接線方式來回傳測量數據雖然穩定，卻因為傳輸線距離上的限制，導致測量范圍難以擴大；本系統之所以采用ZigBee無線傳輸，除了降低有線傳輸的距離限制外，ZigBee的傳輸穩定性也和有線傳輸不相上下，在此無線傳輸更符合近年來的趨勢。

然而此系統更可以應用在放置高精密設備儀器的場合，若在此類的實驗室中會需要控管內部的溫度、濕度及照度，除了隨時監控內部環境之外，電力分析儀和數字電表即可做為測量設備之用途。

4 結論

本研究成果如下：（1）利用LabVIEW下達指令給電力分析儀進行電力參數測量，并將結果回傳。（2）利用LabVIEW下達指令至數字電表，進行測量后將數據藉由無線傳輸芯片回傳到PC。（3）將溫濕度傳感器、光敏電阻、三軸加速度傳感器測量的數據透過 ZigBee-CC2530 感測板無線傳輸回傳至 PC。（4）整合各個傳感器、電力分析儀和數字電表測量到的數據，一并顯示在LabVIEW接口。（5）改善傳統以連接線連接計算機所產生測量距離受限之問題。（6）采用無線傳輸后，使得本系統可以隨身攜帶，更具機動性。

參考文獻：

[1]Keshav S，Rosenberg C.How internet concepts and technologies can help green and smarten the electrical grid. ACMSIGCOMM Computer Communication Review，2011，41（01）：109-114.

[2]Xu Y，Zhang J，Wang W，et al.Energy router：Architectures and functionalities toward energy internet. Smart Grid Communications （SmartGridComm），2011 IEEE International Conference on.IEEE，2011：31-36.