基于WiFi的無(wú)線傳輸系統(tǒng)在電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

慕呈祥　夏　立　王黎明　左　文

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院　武漢　430033)

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基于WiFi的無(wú)線傳輸系統(tǒng)在電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

慕呈祥夏立王黎明左文

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院武漢430033)

摘要針對(duì)當(dāng)前電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)大多采用有線方式,存在著布線復(fù)雜、測(cè)試繁瑣、成本高等缺點(diǎn)。論文提出一種新的分布式無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)采用STM32F103為核心的硬件平臺(tái),利用WiFi技術(shù)完成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。該系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、成本低,且較其他方式的無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳輸速度得到了明顯的提升,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的高速傳輸及可視化監(jiān)控,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞WiFi; 嵌入式技術(shù); 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè); 數(shù)據(jù)采集

Application of Wireless Transmission System Based on WiFi in Power Network Monitoring

MU ChengxiangXIA LiWANG LimingZUO Wen

(Institute of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn view of the current power quality monitoring uses cable way, there are complex wiring, complicated testing and high cost. In this paper, a novel distributed wireless monitoring system is proposed, which is real-time monitoring for the power network. This system adopts the STM32F103 as the core of hardware platform, uses WiFi technology to realizethe wireless transmission of power quality data. Simple wiring, flexible application and low cost are embodied in this system, the transmission speed of the wireless transmission system is significantly improved compare with other modes, and it can realize the power quality data high-speed transmission and visual monitoring, has a certain practical value.

Key WordsWiFi, embedded technology, remote monitoring, data collection

Class NumberTN918

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,科技的進(jìn)步,人們的生產(chǎn)和生活對(duì)電能質(zhì)量要求不斷提高的同時(shí),越來(lái)越多新設(shè)備的投入導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生變動(dòng),產(chǎn)生了許多電能質(zhì)量的問(wèn)題,對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理提出了更高更復(fù)雜的要求。必須對(duì)全電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè),保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行和高質(zhì)量供電,必須對(duì)全電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)[2]。目前對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳輸?shù)姆绞蕉紴橛芯€傳輸,傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)手段存在著布線困難、難以調(diào)整以及安裝、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。因此造成了調(diào)試、維護(hù)等工作量大、靈活性差、設(shè)備的自動(dòng)化技術(shù)水平較低。同時(shí)電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)量較大,對(duì)傳輸系統(tǒng)的傳輸速率和實(shí)時(shí)性要求更加苛刻。在保證傳輸速率以及克服有線傳輸不足的前提下,提出了一種基于無(wú)線的高速傳輸技術(shù),對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),既保證數(shù)據(jù)的有效傳輸,又能彌補(bǔ)有線帶來(lái)的不便。

2無(wú)線通信方式的選擇

2.1常用三種工業(yè)無(wú)線技術(shù)比較

無(wú)線通訊技術(shù)的引入,可以減少現(xiàn)場(chǎng)布線,降低成本,提高工作效率和自動(dòng)化水平,且操作更加靈活,因此在工業(yè)應(yīng)用中的到了廣泛的關(guān)注。無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化、微型化,隨著電子技術(shù)、通訊技術(shù)的高速發(fā)展,無(wú)線技術(shù)必將成為研究的熱點(diǎn)。目前工業(yè)應(yīng)用較多的近距離無(wú)線通訊方式主要有藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)[1]。

1) ZigBee技術(shù)是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。ZigBee的傳輸距離短;數(shù)據(jù)傳輸速率低,在2.4GHz的頻段的傳輸速率只有250kb/s;時(shí)延不易確定,由于ZigBee不支持分時(shí)復(fù)用的信道接入方式,因此不能提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。

2) 藍(lán)牙技術(shù)是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10m內(nèi))的無(wú)線電技術(shù),使用IEEE802.15協(xié)議。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比,藍(lán)牙的高速跳頻技術(shù)使其比其他系統(tǒng)更穩(wěn)定,但帶來(lái)的代價(jià)是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包比較短,數(shù)據(jù)傳輸效率很低。

3) WiFi全稱Wireless Fidelity,即“無(wú)線保真度”。技術(shù)是使用802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的局域網(wǎng),定義了介質(zhì)訪問(wèn)接入控制層(MAC層)和物理層?，F(xiàn)有的通信標(biāo)準(zhǔn)有802.11a,802.11b,802.11g,802.11n等。它是一種短程的無(wú)線傳輸技術(shù),能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)(室內(nèi)100m,室外300m)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線電信號(hào)。表1為三種通信方式的對(duì)比。

表1　通信方式對(duì)比

2.2WiFi技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1) 傳輸速度高:WiFi的傳輸速率可以達(dá)到11Mbps～54Mbps(新標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到300Mbps),傳輸速率較藍(lán)牙和ZigBee有很大的提升。

2) 無(wú)線覆蓋范圍廣:WiFi的傳輸半徑100m,完全滿足工業(yè)對(duì)無(wú)線傳輸距離的要求。

3) 健康安全:IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過(guò)100mW,實(shí)際發(fā)射功率約60mW～70mW,而手機(jī)的發(fā)射功率約200mW～1W,手持式對(duì)講機(jī)高達(dá)5W。從對(duì)比可以看出,WiFi產(chǎn)品對(duì)人體的輻射很小[1～3]。

由于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)量龐大,對(duì)信息的實(shí)時(shí)獲取要求嚴(yán)格。而WiFi的傳輸速率可以達(dá)到54Mbps,解決了傳統(tǒng)無(wú)線傳輸速度慢、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn),完全可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的監(jiān)測(cè)。因此該系統(tǒng)選擇基于WiFi的無(wú)線傳輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸,維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)針對(duì)的是電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集傳輸,首先將電流、電壓引入檢測(cè)裝置,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將采集到的電力參數(shù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸給上位機(jī),這些設(shè)備可以是手機(jī)、筆記本或者手持設(shè)備[5]。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該裝置電源模塊提供了3.3V、5V、15V三種電壓,其中AD采集模塊直接5V供電,STM32F103與WiFi模塊的供電方式則通過(guò)LM1117-3.3電源模塊將5V轉(zhuǎn)換成3.3V進(jìn)行供電,同時(shí)5V電源經(jīng)過(guò)E5015S模塊產(chǎn)生±15V電壓為L(zhǎng)M258提供基準(zhǔn)電壓。開(kāi)發(fā)板上電后,采集電路對(duì)電網(wǎng)中的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行同步采集,AD7606對(duì)采集的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[8]。CPU控制SPI讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,利用SDIO接口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi模塊,利用WiFi與上位機(jī)建立無(wú)線通訊,通過(guò)上位機(jī)顯示的數(shù)據(jù)變化可以對(duì)電網(wǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行[4]。

3.2STM32處理器模塊設(shè)計(jì)

主芯片選用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RET6,32bit Cortex-M3微控制器,內(nèi)部搭載72MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、512KB閃存程序存儲(chǔ)器等。該控制器具有豐富的外設(shè)和較強(qiáng)的抗干擾能力,很適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制。主芯片的供電方面,VDD外接五個(gè)穩(wěn)定電容器給芯片供電,以提高供電的穩(wěn)定性,電壓變動(dòng)不至于損壞芯片,操作電壓為3.3V,提供I/O管腳和內(nèi)部調(diào)壓器的供電。啟動(dòng)模式被選為用戶閃存,BOOT0端被接地拉低。外接8MHz高速外部晶振,提供脈沖時(shí)鐘。啟動(dòng)后,主芯片控制前端的采集、轉(zhuǎn)換后的傳輸、通過(guò)無(wú)線方式將采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)[9]。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　處理器模塊電路

3.3采集模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的AD采集模塊采用美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的AD7606芯片,能完全滿足電力系統(tǒng)對(duì)采樣的要求,該芯片采用高速、低功耗、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主要用于電網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)獲取和數(shù)字化。內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、跟蹤保持放大器、靈活的數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口等[7]。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　采集模塊電路

硬件電路設(shè)計(jì)是采用串行接口模式,通過(guò)SPI的MISO接口與DOUTA引腳相連,將采集到的數(shù)據(jù)傳輸出去。將引腳CONVST A,CONVST B短接以選擇所有輸入通道的同步采樣,RANGE接高電平或低電平來(lái)選擇模擬輸入范圍。nPAR/SER/BYTE SEL引腳外接3.3V電壓,使其處于邏輯高電平,即選擇串行接口。在串口模式下,CPU利用GPIO在定時(shí)器的高低電平觸發(fā)AD7606的CONVST引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,CS是片選引腳,當(dāng)引腳是低電平時(shí)使能串行數(shù)據(jù)傳輸。

3.4WiFi模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的WiFi芯片為臺(tái)灣USI(Universal Scientific Industrial Co Ltd.環(huán)隆電氣股份有限公司)公司生產(chǎn)的WM-G-MR-09模塊。該模塊使用Marvell公司的88W8686芯片進(jìn)行模塊化封裝,兼容IEEE802.11a/g/b協(xié)議,并在單芯片內(nèi)高度集成了媒體訪問(wèn)控制模塊、基帶模塊和射頻模塊的片上系統(tǒng),且運(yùn)用了簡(jiǎn)化天線技術(shù)。模塊內(nèi)部設(shè)置了屏蔽,以避免CDMA/GSM等其他信號(hào)對(duì)模塊信號(hào)產(chǎn)生干擾。此外,模塊內(nèi)部使用了38.4MHz晶振,提供WiFi工作頻率。MR09基于IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn),支持SDIO和SPI兩種接口方式,SDIO的傳輸速率比SPI的要快,相應(yīng)的功耗也要大[4],為了滿足大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?本文選用SDIO接口與STM32微處理器進(jìn)行通信,SDIO模式時(shí)將IF_SEL_1與IF_SEL_2不做任何連線。引腳ECSN與SCLK用于啟動(dòng)方式的選擇,本系統(tǒng)采用主接口總線啟動(dòng),因此引腳ECSN與SCLK沒(méi)有連線。此外,WiFi模塊在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí),功耗都是固定的,不受數(shù)據(jù)收發(fā)速率的影響。故可以在不增加其他功耗的基礎(chǔ)上,選擇更高的數(shù)據(jù)收發(fā)速率,提高終端性能。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　WiFi模塊電路

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的要求和硬件結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求的各種功能的控制程序。一般情況下,在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括電網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)的采集程序設(shè)計(jì)和無(wú)線傳輸程序設(shè)計(jì)等。在實(shí)際的嵌入式應(yīng)用中,考慮到各方面因素,對(duì)硬件資源往往會(huì)受到限制。因此本系統(tǒng)采用在無(wú)操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行[7]。

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用Keil uVision4開(kāi)發(fā)平臺(tái),用于程序的編寫(xiě)、調(diào)試及開(kāi)發(fā)。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。程序流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)程序流程圖

4.1采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

CPU對(duì)AD7606進(jìn)行控制采樣、讀取數(shù)據(jù)操作。串行模式下基于AD7606的電壓/電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,首先AD7606的SCLK輸入信號(hào)為串行讀取操作提供時(shí)鐘源。nCS變?yōu)榈碗娖?以從AD7606中訪問(wèn)數(shù)據(jù)。將AD7606復(fù)位,然后給AD7606的CONVST A、CONVST B引腳一個(gè)低電平的脈沖信號(hào),啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換,AD7606的BUSY引腳變?yōu)楦唠娖?開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換過(guò)程;當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后,AD7606的BUSY引腳自動(dòng)變成低電平,然后對(duì)AD7606進(jìn)行讀操作,讀取并行數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸給CPU[9]。

4.2WiFi無(wú)線傳輸系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

WiFi模塊通過(guò)SDIO串口與stm32進(jìn)行通信,WiFi模塊通過(guò)SDIO接收stm32處理后的數(shù)字信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行打包封裝,利用lwip協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送到上位機(jī)。

開(kāi)發(fā)板上電后,先對(duì)無(wú)線參數(shù)進(jìn)行配置,選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接模式。如果想要啟動(dòng)保存配置信息到FLASH中應(yīng)該先打開(kāi)此選項(xiàng),否則內(nèi)部flash功能不生效。相應(yīng)初始化之后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)掃描,結(jié)果存放在priv→network數(shù)據(jù)域中。掃描完成后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián),通過(guò)UDP進(jìn)行連接發(fā)送數(shù)據(jù)。最后建立TCP服務(wù)器,通過(guò)TCP客戶端連接到PC機(jī)顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)。在連接過(guò)程中如果出現(xiàn)AP掉線,系統(tǒng)將重啟網(wǎng)卡,重新掃描網(wǎng)絡(luò),建立連接。

4.3數(shù)據(jù)壓縮程序設(shè)計(jì)

由于高速的采樣頻率帶來(lái)了巨大的采集數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算造成很大的壓力。理想電壓、電流信號(hào)的波形表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形,具有對(duì)稱性、周期相似性和關(guān)于原點(diǎn)的奇函數(shù)。實(shí)際的電網(wǎng)信號(hào)并不表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形,但在整體上仍然可以近似地保持正弦形狀。因此對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理是提高無(wú)線傳輸速率的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)引入了基于歸一化測(cè)度與LZW結(jié)合的數(shù)據(jù)壓縮算法[10]。

歸一化距離測(cè)度壓縮:首先選定第一個(gè)周期1/4時(shí)間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行歸一化距離測(cè)度的畸變判定,未畸變的數(shù)據(jù)用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)替換,只記錄1/4周期的個(gè)數(shù),將畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行完全記錄;并將畸變數(shù)據(jù)替代原始基準(zhǔn)數(shù)據(jù),繼續(xù)進(jìn)行下一輪畸變判定,直到所有數(shù)據(jù)判定結(jié)束。圖6給出了歸一化距離壓縮的流程圖。

圖6　歸一化距離壓縮的流程圖

由于歸一化距離結(jié)合了camberra距離與歐氏距離,具有很好的畸變檢測(cè)能力,不受量綱限制,具有一定的抗干擾性。歸一化距離測(cè)度計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

x=(x1,x2,,…,xn)T,y=(y1,y2,…,yn)T

(1)

其中x、y為兩個(gè)輸入向量。壓縮效果圖中一段如圖7所示。

圖7　歸一化距離壓縮效果圖

LZW數(shù)據(jù)壓縮編碼:觀察歸一化距離壓縮后數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及進(jìn)一步提高壓縮比,本文引入了LZW數(shù)據(jù)壓縮編碼,流程圖如圖8所示。

圖8　LZW壓縮編碼流程圖

其中P為字符前綴,表示正在被處理的字符。C為當(dāng)前字符,正在被讀取的字符。String為字符串,由(P,C)組成。

LZW編碼是一種利用串表技術(shù)的壓縮方法,是普通字典編碼的升級(jí)版本,有更高的工作效率。建立初始串表,初始串表中包含了可能出現(xiàn)的所有待處理字符[11]。字符串和碼字之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。更新的字符串與串表進(jìn)行比較,生成更大的串表。生成的串表不需要隨著數(shù)據(jù)一塊存儲(chǔ)和傳輸,在解壓縮的過(guò)程中仍然能夠重建一個(gè)完全相同的串表,從而進(jìn)一步地提高壓縮效率。

5結(jié)語(yǔ)

由于電能的數(shù)據(jù)量巨大,對(duì)目前的無(wú)線傳輸方式來(lái)說(shuō)傳輸速率的高低直接影響了傳輸質(zhì)量,進(jìn)而降低了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,影響人們的生活、生產(chǎn)等各方面。本設(shè)計(jì)從無(wú)線通信方式的選擇、芯片的選取、電路的設(shè)計(jì)等方面入手,保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí),提高了無(wú)線傳輸?shù)膫鬏斔俾?最后通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮算法的引入,進(jìn)一步提升了傳輸速率以及穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。提高了工作效率,對(duì)不能布線或很難布線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和傳輸,工作穩(wěn)定,具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN918

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介:慕呈祥,男,碩士研究生,研究方向:電能智能化控制技術(shù)及嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)。夏立,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與故障診斷。王黎明,男,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度與管理技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。左文,男,博士研究生,研究方向:艦船智能化控制,嵌入式系統(tǒng)及ARM在電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年9月1日