基于LabVIEW的無線電力管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇巧平，劉 原，涂德鳳

（1.安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，合肥 230088；2.安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，合肥 230000）

0 引言

電力是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源，在現(xiàn)代社會(huì)中起著非常重要的作用。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，電力參數(shù)的測量也凸顯出巨大的作用和意義，通過對電力參數(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠測量，科學(xué)調(diào)整電力供應(yīng)控制策略，達(dá)到節(jié)能降耗和低碳環(huán)保的目的。本文基于ZigBee無線通信技術(shù)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了分布在較大范圍的電力參數(shù)精確采集和電力監(jiān)控和管理決策支持系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，適用于學(xué)校、智能樓宇、高層公寓、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國家重點(diǎn)消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融和電信等領(lǐng)域用電的安全保護(hù)和電力供應(yīng)控制策略。

1 無線電力管理系統(tǒng)工作原理

圖1 無線電力管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

無線電力管理系統(tǒng)由分布在較大范圍的帶有收發(fā)數(shù)據(jù)功能的電表（采集節(jié)點(diǎn)）、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控室中的數(shù)據(jù)獲取平臺軟件四部分組成。如圖1所示。

在整個(gè)無線電力參數(shù)采集的網(wǎng)路中，協(xié)調(diào)器只有一個(gè)，路由節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)有多個(gè)。采集節(jié)點(diǎn)完成信息獲取的任務(wù)。采集節(jié)點(diǎn)獲取到數(shù)據(jù)后統(tǒng)一通過路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息的設(shè)備，大大增加了ZigBee技術(shù)傳輸?shù)木嚯x范圍。電力參數(shù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)后，通過RS485總線傳輸?shù)酱诩€器，然后通過串口集線器將RS485信號轉(zhuǎn)換為串口信號，傳送到上位機(jī)控制平臺，按照約定的通信協(xié)議經(jīng)過數(shù)據(jù)解析然后將電力參數(shù)數(shù)據(jù)處理存入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行圖形化和報(bào)表顯示以及電力管理調(diào)度決策等功能。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電力參數(shù)測量終端選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為測量電參數(shù)的核心器件。三相電壓通過電壓互感器(TV)輸入，三相計(jì)量電流通過電流互感器(TA)輸入。電壓和電流經(jīng)過互感器后轉(zhuǎn)換成二次側(cè)電壓小信號送入信號調(diào)理模塊處理，調(diào)理成A/D采樣所需的電壓信號，送給單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果存于單片機(jī)FLASH存儲(chǔ)器中并實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給現(xiàn)場無線收發(fā)模塊，無線發(fā)送數(shù)據(jù)。本硬件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能，實(shí)現(xiàn)對供電線路的三相電壓、電流、頻率、功率因素、有功功率、無功功率、電能、諧波等電參數(shù)的測量，系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中有功功率、視在功率、功率因數(shù)和電能的計(jì)算是依據(jù)以下公式得出的。

1.2 Zigbee數(shù)據(jù)采集

ZigBee是一種低功耗近距離的無線組網(wǎng)通信技術(shù)。其特點(diǎn)是低功耗、近距離、低成本、復(fù)雜度低、自組織和低數(shù)據(jù)速率。應(yīng)用場合包括自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，方便嵌入各種設(shè)備。

ZigBee通信模塊和電力參數(shù)采集模塊的主要工作任務(wù)是：建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、將網(wǎng)絡(luò)ID和自身的MAC、網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)發(fā)送來的指令，解析后做相應(yīng)的處理后發(fā)送給其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接收到其他設(shè)備的入網(wǎng)信息、接收到其它設(shè)備發(fā)送來的相關(guān)數(shù)據(jù)后發(fā)送給上位機(jī)。終端采集節(jié)點(diǎn)的任務(wù)有：啟動(dòng)后尋找網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)、接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的相關(guān)命令，并處理后采集數(shù)據(jù)，發(fā)回給協(xié)調(diào)器。路由器的工作主要有兩個(gè)：一是在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍；二是當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入路由器后，通知協(xié)調(diào)器。整個(gè)系統(tǒng)信號鏈如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信號鏈?zhǔn)疽鈭D

2 電力管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在電力管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，作者嘗試了第四代編程語言LabVIEW的使用，感受到了的快捷和高效。LabVIEW不僅可以快捷的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫操作，界面美觀大方，程序可讀性強(qiáng)，LabVIEW的使用也是今后軟硬件平臺使用的必然趨勢，特別是涉及到串口通信、485通信、USB通信等，LabVIEW都提供了強(qiáng)大的工具包，大大提高了開發(fā)的效率。本系統(tǒng)是基于事件結(jié)構(gòu)的多線程應(yīng)用軟件，本軟件系統(tǒng)包括兩部分任務(wù)，即后臺數(shù)據(jù)采集解析、實(shí)時(shí)報(bào)警和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，前臺包括電力參數(shù)數(shù)據(jù)的圖形化顯示、各種數(shù)據(jù)庫查詢操作、電能功耗分析和各種報(bào)表的生成等功能。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊

LabVIEW數(shù)據(jù)采集包括寫串口和讀串口，電表采集電力參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)是連續(xù)不間斷的，但是向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)要等待上位機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)命令，查詢信息幀包括：設(shè)備地址碼、寄存器信息碼、功能代碼、校準(zhǔn)碼。地址碼表明要選中的從機(jī)設(shè)備；寄存器信息碼包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息，例如從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量；功能代碼為被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能，例如功能代碼99是要求從設(shè)備讀寄存器并返回寄存器的所有內(nèi)容，本文中就是用的這一功能；校驗(yàn)碼用來檢驗(yàn)一幀信息的正確性，從設(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法，它采用CRC16的校準(zhǔn)規(guī)則。CRC校驗(yàn)作為一個(gè)子VI被調(diào)用，為便于讀者更好的理解程序的編寫過程，圖4為去掉循環(huán)和判斷過程的串口寫和讀過程。其中串口的讀寫串口子VI均為嵌入式開發(fā)模塊中的VI，性能可靠穩(wěn)定。

讀取串口數(shù)據(jù)首先根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將解析到的14個(gè)電參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在14個(gè)局部變量中，圖4中粉紅色變量為局部變量。

圖4 數(shù)據(jù)解析

在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)源連接，LabVIEW可以直接將SQL語句送給ODBC。ODBC是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)組成部分，它建立了一組規(guī)范，并提供了一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)API（應(yīng)用程序編程接口）。這些API利用SQL來完成其大部分任務(wù)。ODBC本身也提供了對SQL語言的支持。圖5是數(shù)據(jù)源的鏈接設(shè)置，通過此設(shè)置LabVIEW可以輕松地對于路徑下的數(shù)據(jù)庫表單進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作。圖6將存儲(chǔ)在14個(gè)局部變量的數(shù)據(jù)捆綁為簇寫入表名為tk的表中。

2.2 電力管理系統(tǒng)

圖5 數(shù)據(jù)源鏈接設(shè)置

圖6 數(shù)據(jù)入表程序

電力管理系統(tǒng)是C/S架構(gòu)的軟件系統(tǒng)，通過輸入用戶和密碼即可進(jìn)行分布在較大區(qū)域內(nèi)電表的運(yùn)行監(jiān)視、電能質(zhì)量分析、用電運(yùn)行評估和火災(zāi)漏電分析等。系統(tǒng)運(yùn)行基于消息事件，包括鼠標(biāo)點(diǎn)擊、進(jìn)入、離開和雙擊。每個(gè)消息都對應(yīng)相應(yīng)的處理程序，程序編寫方便，便于移植，易讀性很強(qiáng)。以查詢有功功率為例，點(diǎn)擊水平方向的功率下拉菜單選擇有功功率，程序便會(huì)執(zhí)行圖7的程序。

圖7 有功功率查詢

電力管理系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，所以在一個(gè)線程的時(shí)間結(jié)構(gòu)較多，作者就不再贅述了，最后得的到操作界面如圖8所示。

圖8 操作界面

圖9 電表分布圖

圖10 事件運(yùn)行記錄

3 結(jié)論

經(jīng)過梅園之心城的實(shí)地安裝調(diào)試和運(yùn)行，系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示，運(yùn)行良好，說明LabVIEW編寫的軟件可靠穩(wěn)定且大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，得到了很好的市場效益。

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