基于ZigBee的電力多變量無線監測系統設計

崔鳳新

摘要：現有的電網設備參數監測系統大多采用有線方式傳輸監測數據，使得在特殊環境條件下布線困難，不易維護，由此提出采用ZigBee無線通信技術，以低功耗MSP430系列單片機為控制核心，完成對現場電壓、電流、溫度等參數在線采集，主控實時顯示、監控和集中管理，并把數據遠程傳輸回控制中心，從而控制中心可以實時監測到各個用電設備的電氣參量系統具有布點靈活、安裝方便等特點。

關鍵詞：多參量；ZigBee；CC2530；無線遠程監控

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0174-02

1 引言

現有的電網設備參數監測系統大多采用有線方式傳輸監測數據，使得在特殊環境條件下布線困難，不易維護。ZigBee技術的出現，使得對于電網諧波和重要設備狀態的實時在線監測成為可行，文獻[1]至[4]都介紹了基于ZigBee技術的無線監控系統在相關領域的成功應用，具有低功耗、高可靠性、低成本且不受網絡寬帶影響等優點。

本文主要通過CC2530芯片組建基于ZigBee技術一套對電力系統電壓、電流以及溫度進行實時無線遠程監控的系統。

2 無線監測系統的總體結構

多參量無線監測電路MCU選擇MSP430F5418，該處理器擁有強大的內部資源，優異的性能，低廉的價格，高效的開發環境，贏得了廣泛的市場，成為單片機領域的一顆常青樹。該單片機具有3個16位計數器通道、8路12位共享式AD轉換器和2路UART通道，能夠滿足電力數據監測的電壓、電流采集，以及LCD顯示、三個紅外按扭、485、ZigBee等等與處理器之間的端口占用。

主控制電路如圖1所示，包括處理模塊、存儲模塊、數據采集模塊、鍵盤設置模塊，其中數據采集模塊則負責采集現場傳感器的電壓、電流和溫度等信息，供給MCU處理；MCU模塊處理數據模塊，并將配置的數據參數存入到存儲模塊中，鍵盤設置模塊響應現場的按鍵信號，LCD模塊則顯示不同的按鍵的內容和傳感器采樣信號，供現場數據監控；無線Zigbee模塊構建無線傳感器網絡，接收遠程數據配置控制命令，同時將測量數據進行無線數據傳輸到控制中心。

為了降低系統功耗，讓終端節點定時檢測電壓、電流和溫度信息，發送數據。軟件運行過程中，只保留CPU內部定時器和中斷終端節點，大部分時間被設定為休眠狀態。

2.1 多參量數據采集模塊

多參量數據采集模塊主要采集電壓電流、溫度和入侵數據；其中，入侵、浸水為開關信號，經共模線圈的濾波后進入MCU的IO端口，MCU通過掃描端口獲得端口狀態；溫度經隔離和差模放大電路進行信號放大調理，然后進入AD采樣芯片模數轉換后進行溫度和壓力的計算。

互感器經過隔離電路獲取電流、電壓信號，轉換后的電信號經共模線圈的濾波后進入差模放大電路進行信號放大調理，然后進入AD采樣芯片模數轉換后進行電流和電壓的計算，具體電路參照圖2。

2.2 ZigBee無線節點設計

為減少CC2530射頻芯片的外圍電路設計，系統設計采用鼎泰克公司（DTK）生產的DRF1607HCC2530ZigBee封裝芯片。

CC2530提供了基于TTL電平的UART通訊方式，電路中，從CPU引出RXD2、TXD2兩根引線與CC2530的TX、RX連接。CC2530與MSP430F5418處理器連線電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

ZigBee節點的軟件設計采用模塊化的思想，在TI公司提供的ZigBee標準的Z-Stack協議棧[5]用C設計，圖4為系統數據無線監測節點主程序流程圖。ZigBee協議有3種網絡配置方式：星型、簇樹型和Mesh網絡。本設計采用Mesh網絡，因為與另兩種網絡相比，Mesh網絡能夠減少消息時延，增強通信的可靠性。

上位機軟件采用C#編寫，主要實現對數據參數的實時監測和處理并顯示，實時顯示，提供系統運行狀態的實時信息。

4 硬件及測試結果分析

實驗將多參數在線監測節點依次接入ZigBee無線傳感器網絡，測試在無障礙物的情況下進行，選擇透傳模式，兩個節點之間的傳輸距離在100m左右，能夠較準確地完成對系統電壓、電流以及溫度的測量，可靠性較高。

5 結語

本文介紹了一種基于ZigBee電力多參量無線遠程監測方案，系統以MSP430F5418為核心控制器，利用多參量數據采集模塊采集網絡參數、ZigBee無線傳輸模塊構建無線傳感器網絡實現數據的無線傳輸，運行成本較低，且運行可靠，在控制中心即可實時了解到各個設備的工作狀態，可廣泛應用于無線遠程監控領域。

參考文獻

[1]謝苗苗，李華龍，羅偉.基于物聯網的煤礦井下電力諧波在線監測節點設計[J].煤礦機械，2016，（1）：234-236.

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[3]馬麗萍，張衛國.基于ZigBee的電能質量監測系統的研究與設計[J].電源技術，2012，36（8）：1192-1195.

[4]丁凡，周永明.基于Zigbee的多路溫度數據無線采集系統設計[D].儀表技術與傳感器，2013.

[5]HUA W W， YUAN Z H， YU X Z. A design of Z-stack application based on the IEEE address[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013 （401/403）：1272-1277.