基于ZigBee和以太網(wǎng)的變電站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

童惠彬，高偉，蘇俊杰，陳聰偉，郭謀發(fā)

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州 350108）

0 引言

一般采用巡檢的方式對變電站的環(huán)境進行監(jiān)測，具有一定的隨機性和局限性。尤其在山區(qū)、郊區(qū)等偏遠(yuǎn)人稀地帶，惡劣的工作環(huán)境對變電站運行設(shè)備的安全運行構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時可能引起閃絡(luò)。因此，本文提出一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的變電站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［1］，采用ZigBee通信和以太網(wǎng)通信相結(jié)合的方式，實現(xiàn)變電站環(huán)境的實時監(jiān)測，并在環(huán)境溫濕度越限時通過控制防潮控溫設(shè)備的啟停來調(diào)節(jié)變電站環(huán)境溫濕度。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能控制器對變電站環(huán)境溫濕度進行實時采集，根據(jù)控制策略來控制站內(nèi)的加熱器、抽濕機和空調(diào)等防潮控溫設(shè)備的啟停以達(dá)到調(diào)節(jié)變電站環(huán)境溫濕度的目的。同時將環(huán)境溫濕度以及設(shè)備的運行狀態(tài)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到位于主控制室的通信管理機，并執(zhí)行通信管理機器下發(fā)的控制命令。通信管理機對底層各個控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)進行管理并進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)傳送到WEB服務(wù)器，并接收WEB服務(wù)器下發(fā)的控制命令。管理人員可以通過采用Delphi開發(fā)的上位機軟件對現(xiàn)場的溫濕度以及空調(diào)、抽濕機、風(fēng)機等設(shè)備的運行狀態(tài)遠(yuǎn)程進行實時監(jiān)測與控制。

2 硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 智能控制器

智能控制器［2］由微處理器、溫濕度傳感器、開關(guān)量采集、繼電器輸出以及ZigBee無線通信等模塊組成。主要介紹微處理器、ZigBee無線模塊。硬件構(gòu)成如圖2所示。

控制器選用Microchip公司的PIC24FJ64GA004作為主處理器。該CPU采用16位的改進哈佛結(jié)構(gòu)，單指令預(yù)取機制可幫助其維持吞吐量，集成有 UART、定時器和A/D轉(zhuǎn)換器等外設(shè)。在滿足控制器功能要求的同時CPU資源也得到了充分的利用，并且由于其最高運行速度達(dá)到16 MIPS，性能裕量適中。

ZigBee無線通信采用美國Digi公司的XBee模塊，是一種遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)傳模塊，可組Mesh網(wǎng)絡(luò)。每個模塊都可以作為路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點，ZigBee通過DIN與DOUT與CPU進行通信。硬件原理如圖3所示。

ZigBee傳輸設(shè)備在整個系統(tǒng)中用于實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)向通信管理機匯總，當(dāng)ZigBee設(shè)備從采集終端接收到監(jiān)控數(shù)據(jù)后，通過自組建的無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。同時，監(jiān)控中心也可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)對各個監(jiān)控節(jié)點發(fā)出控制指令，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信以達(dá)到遙測和遙控的目的。

圖2 智能控制器硬件框圖

圖3 XBee RF硬件原理圖

2.2 通信管理機

通信管理機［3］由微處理器、以太網(wǎng)通信、ZigBee無線通信、GPRS無線通信等模塊組成。主要介紹微處理器、以太網(wǎng)通信和 ZigBee無線通信模塊。硬件構(gòu)成如圖4所示。

通信管理機采用Digi公司的Rabbit 6000芯片作為主處理器。Rabbit 6000支持10/100 Base－T以太網(wǎng)、安全的802.11 b/g和 WPA2能實現(xiàn)最高水平的安全性。其擴展板RCM6710帶有多達(dá)4 MB的串行WEB頁面的數(shù)據(jù)記錄存儲，而且?guī)в蠷J45以太網(wǎng)接口。并且可嵌入μC/OS－II操作系統(tǒng)［4］。具有信息處理能力強、運算速度快、集成度高等特點。

基于TCP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)具有應(yīng)用廣泛，軟硬件資源豐富，很容易將控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享，數(shù)據(jù)的傳輸距離長、傳輸速率高等特點。RCM6710模塊通過Tx+、Tx－、Rx+和Rx－這四根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。

考慮到通信距離問題，通信管理機的無線通信模塊選用增強型無線通信模塊XBee Pro ZB模塊，外接5 dB全向天線。模塊通過一個邏輯電平的異步串口連接到MCU。數(shù)據(jù)以異步串行信號通過DIN引腳進入模塊，從DOUT引腳輸出。

圖6 通信管理機程序結(jié)構(gòu)圖

圖4 通信管理機硬件框圖

3 軟件設(shè)計

3.1 智能控制器

對環(huán)境信息采集處理和判斷的依據(jù)主要通過與設(shè)置的露點凝露值比較，實際上對開關(guān)柜的環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測目的是為了防止溫濕度達(dá)到露點而影響開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備運行。程序流程如圖5所示。

圖5 智能控制器程序流程圖

首先是初始化，包括串口、定時器和I/O口等，接著判斷是否有接收數(shù)據(jù)指令。如果收到數(shù)據(jù)，CPU則按照通信協(xié)議進行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的命令及應(yīng)答;然后判斷2 s定時是否已到，如果定時時間到，則CPU向溫濕度傳感器發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令。采集完成后，CPU對數(shù)據(jù)進行處理比較決定是否啟動繼電器從而控制加熱器、抽濕機等設(shè)備，而空調(diào)則采用與CPU串口相接的紅外控制器進行控制。最后將采集的數(shù)據(jù)及設(shè)備的工作狀態(tài)通過Zig-Bee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到WEB服務(wù)器。

3.2 通信管理機

在RCM6710通信模塊中有UDP通信協(xié)議與TCP通信協(xié)議［5］，UDP協(xié)議可靠性較低，常應(yīng)用在速度和性能比可靠性要求更高的應(yīng)用程序中。而TCP協(xié)議中提供了有保證的傳輸、錯誤校正和緩沖，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因此在設(shè)計中選用了TCP為傳輸層協(xié)議。

系統(tǒng)的實時性能是通過設(shè)定時鐘節(jié)拍來切換任務(wù)的。在此設(shè)定為每秒鐘切換50次任務(wù)，即每個任務(wù)運行的時間為20 ms，時間到了必須強制把CPU的控制權(quán)交給優(yōu)先級高的任務(wù)。程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

系統(tǒng)共創(chuàng)建如下三個任務(wù):

1）Task_TimeDeal任務(wù)主要負(fù)責(zé)設(shè)定TCP通信與ZigBee通信的延時重發(fā)和超時判斷的時間;負(fù)責(zé)TCP數(shù)據(jù)的發(fā)送處理。TCP的數(shù)據(jù)發(fā)送是通過設(shè)定每250 ms查詢一次各個緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有就調(diào)用 sock_wr（＆S，（char*）DataBuf［i］.Len）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。此任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)為最高。

2）Task_ZBDeal負(fù)責(zé)ZigBee數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送以及參數(shù)變更的存儲;調(diào)用TRXPackF（）函數(shù)對ZigBee數(shù)據(jù)進行接收并處理;通過調(diào)用ZBPardeal（）對參數(shù)的變更進行處理，將變更的參數(shù)下發(fā);事件的超時通過調(diào)用ZBTimeOut（）函數(shù)進行處理。

3）Task_TCP任務(wù)主要負(fù)責(zé)獲取上位機下發(fā)的控制命令，然后進行解析，此過程是在TCP/IP協(xié)議上進行數(shù)據(jù)傳輸。TCP數(shù)據(jù)打包也是在Task_TCP任務(wù)里面完成的，但是數(shù)據(jù)發(fā)送是放在Task_TimeDeal任務(wù)里面。

最后調(diào)用OSStart（）函數(shù)開始多任務(wù)的調(diào)度。系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)及事件的優(yōu)先級對CPU控制權(quán)進行實時的分配。

3.3 上位機

采用Delphi［6］開發(fā)的人機界面可以實時監(jiān)控現(xiàn)場的溫濕度以及設(shè)備的工作狀態(tài)。上位機包括的模塊有:參數(shù)設(shè)置、設(shè)備管理、當(dāng)前數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)召喚、歷史數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)查詢、告警事件以及打印服務(wù)等模塊。

主要介紹以下幾個模塊:參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)加熱器、抽濕機和空調(diào)等設(shè)備啟停的溫濕度閥值設(shè)置;設(shè)備管理模塊可以根據(jù)實際情況需求現(xiàn)場添加管理機或者控制器，并選擇所要控制的開關(guān)柜房間和通信管理機的IP地址;歷史數(shù)據(jù)模塊方便用戶查詢開關(guān)柜歷史溫濕度信息，通過圖形分析變電站的運行情況。

4 通信協(xié)議

4.1 通信管理機與智能控制器

智能控制器通過ZigBee模塊與通信管理機進行通信［7－8］。ZigBee模塊采用應(yīng)用編程接口API的通信方式。因此，智能控制器與通信管理機之間的數(shù)據(jù)傳輸遵循API模式的固定幀格式，API數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都有一個16位網(wǎng)絡(luò)地址和一個64位物理地址，當(dāng)各節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，使用64位地址進行通信，成功加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會為各節(jié)點分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，如果傳輸時目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址未知，設(shè)為0xFFFE。

數(shù)據(jù)域存放用戶要發(fā)送給目的節(jié)點的數(shù)據(jù)，可由用戶根據(jù)實際需要自定義數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)格式。本系統(tǒng)自定義API幀數(shù)據(jù)域格式如表2所示。其中地址域為底層設(shè)備的源地址，采用4個字節(jié)BCD碼表示?？刂拼a表示具體的通信行為，包括數(shù)據(jù)傳輸方向標(biāo)志位、子站應(yīng)答標(biāo)志位、讀寫標(biāo)志位和具體功能碼。數(shù)據(jù)域的信息和長度由功能碼決定，通過具體功能碼可以表示不同的控制命令。

表1 API數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

表2 API幀數(shù)據(jù)域格式

4.2 通信管理機與上位機

上位機通過以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)與通信管理機進行數(shù)據(jù)交換。通信數(shù)據(jù)幀格式如表3所示，其中地址域占四字節(jié)，分別為目的地址和源地址?？刂拼a表示具體通信行為，不同的控制碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀長度及數(shù)據(jù)域信息也不同;數(shù)據(jù)域包括上位機所需現(xiàn)場設(shè)備運行狀況的信息或者上位機下發(fā)的設(shè)備工作的閾值。

表3 通信數(shù)據(jù)幀格式

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用ZigBee和以太網(wǎng)相結(jié)合的通信方式，實現(xiàn)變電站環(huán)境的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和控制。該方案已申請實用新型專利，并在部分變電站中投入運行。實際應(yīng)用中，系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠，能實時并準(zhǔn)確監(jiān)測與控制環(huán)境溫濕度以及開關(guān)柜設(shè)備運行狀態(tài)，保證變電站安全運行。

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