基于GPRS和ZigBee網絡的地鐵變電站防誤閉鎖系統設計

賴聲鋼

（廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，510380，廣州∥工程師）

地鐵供電系統的安全運營離不開高質量的檢修作業，而檢修過程中的人為誤操作是導致電力事故的主要原因。目前，地鐵變電站普遍采用微機防誤操作系統來避免變電站在運行、檢修、維護過程中由于人為誤操作所導致的電力事故［1］。傳統微機防誤操作系統存在離線操作和走空程等問題，電腦鑰匙在接收到操作票后只能嚴格按照既定的順序操作，若操作過程中相關設備狀態發生變化而電腦鑰匙無法獲知時，就會給操作帶來很大的安全隱患，無法從根本上做到防止誤操作［2］。針對傳統微機防誤閉鎖系統存在的問題，本文設計了一種基于GPRS與Zig－Bee網絡的在線式防誤閉鎖方案，利用無線通信技術實現防誤系統實時在線工作。在線式微機防誤閉鎖系統可以充分發揮GPRS網絡傳輸距離遠、傳輸速率快的優點和ZigBee技術自動組網、時延短、容量大的優勢，系統無需布線、結構簡單，且永久在線［3］，具有較好的實時性。

1 系統方案設計

本文所設計的在線式微機防誤閉鎖系統采用GPRS網絡來實現信息遠距離無線傳輸，采用Zig－Bee無線傳感網絡進行節點組網設計，從而實現系統實時在線工作。ZigBee是一種基于IEEEE 802.15.4標準、近距離、低傳輸速率、低功耗、低成本且數據可靠性高的雙向無線通信技術［4］，支持星（Star）形、樹（Tree）形和網狀（Mesh）3種拓撲結構。由于地鐵變電站內設備雜多、環境復雜，電磁干擾、障礙物等因素會影響ZigBee網絡通信距離和通信質量，故本方案采用樹（Tree）形拓撲結構，通過路由節點的轉發功能，實現終端設備與協調器的遠距離通信。

本系統由站控層、間隔層和過程層3部分組成（見圖1），包括防誤主機、操作票專家系統、網關協調器、路由節點、終端節點、智能鎖具等部分。進行倒閘操作時，操作人員首先在防誤主機上通過操作票專家系統軟件對將要進行的操作進行模擬預演，操作過程經模擬預演無誤后生成操作票，操作人員嚴格按照操作票的操作流程通過無線網絡對智能鎖具進行控制，然后才能執行相應倒閘操作。終端節點通過智能鎖具采集現場一次設備狀態，并將采集到的設備信息通過ZigBee網絡傳輸到路由節點。終端節點同時負責接收路由節點下發的命令，來控制智能鎖具的打開或閉合。路由節點通過功率放大和多級跳變的方式將信息傳輸到網關協調器，同時路由節點也負責將網關協調器下發的命令轉發到終端節點。網關協調器主要負責數據的匯總與處理，實現ZigBee網絡與GPRS網絡的協議轉換，并通過GPRS網絡實現與防誤主機進行遠程無線通信。

圖1 系統總體結構框圖

2 網絡節點硬件設計

2.1 終端節點硬件設計

終端節點采用ZigBee通信模塊與路由節點及智能鎖具通信，通過ZigBee網絡與路由節點進行近距離無線通信，通過USART接口與智能鎖具進行有線通信，硬件結構如圖2所示。智能鎖具用于鎖定現場一次設備，授權通過后才能打開鎖具操作現場一次設備。終端節點用于實時采集智能鎖具閉鎖的斷路器、隔離開關、接地刀閘、網門、地線等地鐵變電站現場一次設備的狀態信息［5］，通過ZigBee網絡將一次設備狀態信息發送到路由節點，并接收路由節點轉發的控制命令，通過智能鎖具實現對現場一次設備的解/閉鎖控制。

圖2 終端節點硬件結構

ZigBee通信模塊選用TI公司推出的CC2530芯片進行設計，該芯片內部有1個2.4 GHz的高性能DSSS射頻收發器核心和1個工業級8051控制器，內部固化ZigBee協議棧，通過USART串口即可與智能鎖具進行通信。CC2530芯片內部具有發送/接收（T/R）開關電路，天線的接口及匹配很容易實現。本方案采用偶極天線，不需要使用不平衡變壓器就可以方便地與系統連接。λ/2偶極天線長度可由下式給定：

式中：

f——頻率，MHz；

l——天線長度，cm。

2.2 路由節點設計

受限于ZigBee網絡通信距離、應用環境的信號干擾及終端節點數量較多等因素，網關協調器無法與站內所有的終端節點進行直接通信，必須通過路由節點來轉發。理論上可以采用足夠多的路由節點通過多跳傳輸的方式實現終端節點與網關協調器的通信，但在實際應用中由于網路規模較大，會造成成本增加和硬件資源的浪費。本設計通過增大發射功率的方式來增大ZigBee網絡的通信距離。圖3為路由節點的電路圖。

由圖3可知，在設計路由節點時仍選擇CC2530芯片作為核心，采用CC2591芯片增大ZigBee網絡的發射功率，這樣可以在一定程度上增加ZigBee網絡通信距離，減小網絡規模，降低系統成本。在設計路由節點時采用CC2591射頻（RF）功率放大模塊可以將ZigBee收發器的輸出功率提高約+22 dB·m，接收靈敏度提高約+6 dB［6］，還可以簡化射頻電路的設計。路由節點以CC2530為核心，采用射頻（RF）功率放大模塊CC2591作為信號放大器件，再加上ZigBee網絡的傳輸接力特性，就可以以較小的規模將整個ZigBee網絡覆蓋至整個地鐵變電站。

2.3 網關協調器硬件設計

網關協調器是整個系統通信網絡的樞紐和核心，主要負責GPRS網絡和ZigBee網絡間的協議轉換，向上通過GPRS網絡與防誤主機遠距離通信，向下通過ZigBee網絡與路由節點通信。網關協調器由微處理器、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊、存儲模塊、電源模塊等組成，硬件結構如圖4所示。

圖3 路由節點硬件電路

圖4 網關協調器硬件結構

ZigBee通信模塊仍然選用CC2530芯片設計，負責創建ZigBee網絡、允許路由節點加入網絡及維護整個ZigBee網絡，具有管理ZigBee網絡的功能。GPRS通信模塊主要用于與防誤主機進行遠距離通信。GPRS網絡具有傳輸速率快、數據糾錯能力強及覆蓋范圍廣的優勢，可以充分保證防誤閉鎖系統的實時性與可靠性。GPRS通信模塊選用SIEMENS公司推出的MC55芯片，芯片內嵌TCP/IP協議棧，具有標準RS232接口，通過AT指令操作就可以實現GPRS與防誤主機建立基于TCP/IP的網絡連接。微處理器主要負責數據的匯總與處理及通信協議的轉換，對芯片數據處理能力、運算能力及存儲空間要求比較高，本設計選用S3C2440A芯片作為網關協調器主控單元。該芯片主頻處理速度可高達533 MHz，具有4通道DMA控制器和3通道的UART接口，可以方便地與GPRS芯片和ZigBee芯片通信。

3 網絡節點軟件設計

3.1 終端節點軟件設計

終端節點程序流程圖如圖5所示。其主要任務是加入ZigBee網絡、采集并發送數據及接收路由節點轉發的命令。節點上電后首先進行硬件初始化以及協議棧初始化，對寄存器、工作模式、參數等完成設置后向路由節點申請加入網絡，路由節點根據加入網絡的先后順序將地址塊中的16位短地址分配給終端節點，這樣終端節點便加入到ZigBee網絡。ZigBee網絡節點借助周期性監聽無線通道來確定是否有報文等待處理，在完成上傳終端節點數據和接收路由節點轉發的數據后，終端節點大部分處于休眠狀態，2節5號干電池即可工作6個月到2年。

圖5 終端節點程序流程圖

3.2 網關協調器軟件設計

網關協調器主要用于實現各種數據和命令的上傳與下發、ZigBee網絡的建立及路由節點的加入、數據處理與協議轉換。系統采用MSSTATE_LRWPAN協議棧來組建ZigBee無線網絡。ZigBee網絡協調器上電后進行協議棧和外部設備初始化，通過調用aplFormNetwork()函數來建立網絡。ZigBee路由器上電后掃描信道，向網絡協調器發送入網申請后，通過aplJoinNetwork()函數加入網絡，協調器接收到申請后分配給路由器一個包含若干16位短地址的地址塊，這樣ZigBee路由節點便加入到ZigBee網絡中［7］。網關協調器通過GPRS網絡接收防誤主機下發的命令與數據，經過微處理器模塊進行數據處理與協議轉換后，通過ZigBee網絡經路由節點下發至終端節點。另一方面，網關協調器通過ZigBee網絡接收到路由節點轉發的數據，經過微處理器模塊的數據處理與協議轉換后，通過GPRS網絡將數據上傳至防誤主機。流程圖如圖6所示。

圖6 網關協調器程序流程圖

4 試驗結果

為了檢驗ZigBee網絡在地鐵變電站內的通信質量，進而確定網絡節點的可靠通信距離，有必要在變電站內進行點對點信號傳輸質量檢測試驗。Zig－Bee網絡中，鏈路質量（QLQI）計量的是所收到包的強度和質量，而信號接收強度（SRSSI）通常被作為鏈路質量的評定指標［8］。SRSSI值的大小可以反映數據傳輸的可靠性，SRSSI值與QLQI值之間的關系滿足：

本次試驗選擇在杭州地鐵1號線主變電所內進行，采用2個ZigBee節點進行點對點通信，其中一個節點用CC2530模塊作為終端節點，另一個用CC2530+CC2591模塊作為路由節點。節點均采用3.3 V直流供電，發送功率為0 SRSSI。發送節點每次發送200個數據包，接收節點每次接收到數據包都會統計信號質量，通過讀取SRSSI值的個數就可以間接得到收包數［9］。表1為2個節點間隔不同距離下SRSSI與QLQI的值。分析表1可知，當2個節點通信距離大于130 m時QLQI小于50，丟包率較大。因此，為保證ZigBee網絡在地鐵變電站內的通信質量，終端節點與路由節點的通信距離應小于130 m。

表1 點對點通信SRSSI與QLQI值

5 結語

本文以CC2530和CC2591芯片為核心，完成了ZigBee現場參數無線檢測網絡的搭建，并基于MC55芯片實現了信息通過GPRS網絡實現遠距離傳輸的功能，實現了地鐵變電站現場一次設備的實時數據采集和遠程檢測與控制，有效地解決了傳統微機防誤閉鎖系統離線操作、走空程及操作繁瑣等問題，從根本上做到防止電氣誤操作。通過實地測試，對ZigBee網絡在地鐵變電站內的傳輸質量和傳輸距離進行了評價，測試結果對ZigBee節點在地鐵變電內的布置給出了小于130 m的參考距離。該在線式微機防誤操作系統具有結構簡單、永久在線、功耗較低的優勢，可以極大地提高地鐵變電站防誤閉鎖裝置的可靠性和實時性。

［1］ 黃文龍，程華，梅峰，等.變電站五防一體化在線監控系統的設計與實現［J］.電力系統保護與控制，2009，37（23）：112.

［2］ 尤國榮.微功耗無線網絡在防誤系統中的應用［J］.電力自動化設備，2010，30（8）：139.

［3］ 郭耀華.基于ZigBee和GPRS網絡的智能變電站設備溫度無線監測系統［J］.儀表技術與傳感器，2014（1）：79.

［4］ 任秀麗，于海斌.ZigBee無線通信協議實現技術的研究［J］.計算機工程與應用，2007，43（6）：143.

［5］ 陳沖，王瑞闖，張樂斌，等.基于ZigBee無線傳感網絡的防誤閉鎖系統［J］.現代電力，2009，26（5）：27.

［6］ 馬飛，鄭云水.基于ZigBee網絡的智能鐵鞋系統設計［J］.電子技術應用，2012，38（12）：26.

［7］ 袁佳，焦志曼，余建波，等.采用GPRS和ZigBee的遠程分布式燈光控制系統［J］.計算機工程與設計，2015，36（1）：108.

［8］ 周艷，李海成.基于RSSI無線傳感器網絡空間定位算法［J］.通信學報，2009，30（6）：75.

［9］ 丁恩杰，王振華，王淑涵，等.基于ZigBee的無線傳感網絡在輸煤監測系統中的應用［J］.傳感器與微系統，2009，28（7）：114.