基于ZigBee的無線振動傳感器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

湯 明,鄭 婧,黃文婷,吳 迪,黃 海

(浙江大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)系,杭州 310013)

電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究對維護(hù)電網(wǎng)的健康運(yùn)行有重要意義。目前,振動分析法被證明是一種有效、便捷,并具有良好發(fā)展前景的電力變壓器在線監(jiān)測方法[1-3]。該方法通過對變壓器油箱表面振動的監(jiān)測、分析與診斷獲得變壓器的狀態(tài)和故障信息,與整個電力系統(tǒng)沒有電氣連接,從而可以快速、安全、可靠地達(dá)到變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的目的。目前大多數(shù)振動監(jiān)測設(shè)備均采用有線的ICP壓電加速度振動傳感器進(jìn)行振動采集[4-6],其具有頻率響應(yīng)、測量精度和信噪比高的優(yōu)點(diǎn)。然而布置有線傳感器時其位置往往受限于接線長度,極大得限制了振動測量范圍;同時由于有線傳感器與采集設(shè)備間存在物理連接,極易受到外界影響(碰撞、拉扯接線),導(dǎo)致傳感器位移、掉落,從而影響測量結(jié)果;另外,檢測的安全性和設(shè)備管理的規(guī)模性也存在一定的影響。因此,使用無線傳感器替代有線傳感器,可有效規(guī)避上述問題,且可極大的簡化和方便測量過程。

為此,本文在分析ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、MEMS數(shù)字傳感元件的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種面向變壓器狀態(tài)帶電監(jiān)測中振動信號的采集與傳輸,采用ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感方案[7-9]。

1 無線振動傳感器設(shè)計

無線振動傳感器的設(shè)計主要包括硬件部分與軟件部分。

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 無線傳輸方案選擇

現(xiàn)有的較為主流的無線傳輸方式主要有藍(lán)牙,WiFi,ZigBee等,這幾種方式各有特點(diǎn),適用于不同通信場景。其中藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率較快,但存在傳輸過程中數(shù)據(jù)包大小受限的缺點(diǎn),且通信距離較短;WiFi近年來被普遍應(yīng)用,其傳輸距離較遠(yuǎn),組網(wǎng)方便,主要缺點(diǎn)是功耗較高;相比于以上幾種,ZigBee方式存在低功耗,低成本和組網(wǎng)功能強(qiáng)大的特點(diǎn),但在數(shù)據(jù)傳輸速率和時延方面存在短板。

由于系統(tǒng)需要滿足低功耗,低成本,通信距離適中的要求,且需具有一定的安全性。對比以上幾種通信方式,ZigBee的功耗最低,同時其傳輸距離、傳輸速率、成本和安全性均滿足系統(tǒng)要求,且具有強(qiáng)大的組網(wǎng)功能。故本設(shè)計選用ZigBee的無線通信方式。

1.1.2 傳感原件選型

振動加速度傳感器的選擇主要考慮在滿足采樣參數(shù)的情況下,選取功耗低和體積小的解決方案。本文選取MEMS傳感元件作為振動采集元件,使整個傳感器系統(tǒng)微型化,滿足了對體積和空間要求苛刻的應(yīng)用場景,同時從MEMS讀出的時數(shù)字化的數(shù)據(jù),降低了外界干擾,提高了傳感器系統(tǒng)的電磁兼容性。

根據(jù)參數(shù)進(jìn)行選擇,最終確定的傳感器型號為ADIS16006,該傳感器具有功耗低、體積小,可滿足雙軸采集的特點(diǎn)。傳感器具體參數(shù)如表1所示。

表1 ADIS16006的主要性能參數(shù)

1.1.3 硬件總體方案設(shè)計

本設(shè)計采用微功耗MEMS振動傳感元件和ZigBee無線模塊實(shí)現(xiàn)微功耗無線振動傳感,并適用于多振動測點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)形式的電力變壓器油箱表面振動監(jiān)測方案。方案首先通過各無線振動傳感器采集振動信號,并將振動信號通過無線傳輸方式,傳輸至變壓器振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(下位機(jī))進(jìn)行處理與存儲,最終通過網(wǎng)絡(luò)通訊將處理后數(shù)據(jù)送入客戶PC端軟件(上位機(jī))進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與診斷。無線傳感方案總體示意圖如圖1所示。

圖1 無線振動傳感器應(yīng)用示意圖

由圖1可知,無線傳感器主要包括終端和協(xié)調(diào)器兩部分。終端上集成了加速度傳感器,使用時貼附在變壓器油箱壁,主要負(fù)責(zé)信號的采集和無線傳輸,由振動傳感器、數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線通信模塊、串口通信模塊、電源模塊構(gòu)成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)信號的接收和存儲,由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。在現(xiàn)場采集時,因?yàn)槎嘈盘柌杉仃嚨男枰?設(shè)置多個終端進(jìn)行信號采集,多終端和協(xié)調(diào)器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸。

1.1.3.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計方案

無線傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成,如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊為加速度傳感器ADIS16006,負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)的振動數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理控制模塊主要包含微處理器和存儲器,分別負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的控制、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和保存;無線通信模塊主要由無線收發(fā)器構(gòu)成,負(fù)責(zé)控制信號、采集信號及其他傳感器節(jié)點(diǎn)信號等的通信傳輸;電源模塊則負(fù)責(zé)整個節(jié)點(diǎn)的能量供給。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)模塊框圖

1.1.3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計方案

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線通信模塊、串口/SPI通信模塊、電源模塊構(gòu)成,如圖3所示。數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線通信模塊、電源模塊的設(shè)計與終端節(jié)點(diǎn)相似,不再贅述。SPI通信模塊,為微處理器和之后的監(jiān)測系統(tǒng)之間通信提供了手段。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊框圖

1.1.3.3 器材選型與相關(guān)電路設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)包含主控模塊、無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包含主控模塊、無線收發(fā)模塊、串口通信模塊、電源模塊。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)中,無線通信模塊、供電模塊、串口模塊實(shí)現(xiàn)相同,無線傳感器模塊為終端獨(dú)有。以下為主要模塊電路設(shè)計。

ZigBee通信的芯片選用CC2530F256,CC2530能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。芯片集成了增強(qiáng)型8051 CPU,系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存,8kB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有多種不同的運(yùn)行模式、且運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短,保證了系統(tǒng)的超低功耗。CC2530核心板電路原理圖如圖4所示,預(yù)留了兩接口,以便擴(kuò)展應(yīng)用。

圖4 無線通信模塊電路圖

傳感器選擇ADIS16006,該傳感器是一款低成本、低功耗的雙軸加速度計,含SPI外設(shè)接口,且各參數(shù)滿足前述振動信號采集的需求。其主要性能參數(shù)詳見表1,其最高采樣頻率可達(dá)10KHz,在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時選取4 KHz進(jìn)行采集。本文外圍電路采用其典型電路設(shè)計,如圖5所示。

鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn),多數(shù)應(yīng)用場合供電條件受限,節(jié)點(diǎn)模塊一般采用電池供電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,紐扣電池供電能力不足,兩節(jié)7號干電池又會增加終端的體積,所以最終我們采用3.7 V鋰電池供電。由于模塊中的無線通信、傳感器子模塊均使用到3.3 V電源供電,所以需要對3.7 V的鋰電池輸入電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理,采用HT7533穩(wěn)壓芯片。應(yīng)用電路如圖6所示。

圖5 傳感器子模塊電路圖

圖6 供電及穩(wěn)壓模塊電路圖

1.2 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)振動信號的采集、無線傳輸和存儲,并最終通過接口將采集到的信號傳輸至變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)。通過組建星形網(wǎng)絡(luò)由9個終端設(shè)備進(jìn)行振動加速度信號采集并將信號無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)信號的無線接收,存儲并傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)。其整體的功能和架構(gòu)如圖7所示。

圖7 無線模塊工作整體流程圖

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn),是建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上的。對于CC2530,TI公司提供了完善的Z-Stack協(xié)議棧,該協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化是為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作的,主要分為初始化系統(tǒng)時鐘、檢測芯片電壓是否正常、初始化芯片內(nèi)部的堆棧、初始化硬件板的配置、初始化芯片各個硬件模塊、初始化Flash存儲、形成節(jié)點(diǎn)MAC地址、初始化一些非易失性變量、初始化MAC層、初始化應(yīng)用架構(gòu)層、初始化操作系統(tǒng)、使能全部中斷等十余項(xiàng)。

OSAL操作系統(tǒng)實(shí)體由一個無限循環(huán)的函數(shù)開始:osal_start_system()。這個函數(shù)就是輪轉(zhuǎn)查詢操作系統(tǒng)的主體部分,它所做的就是不斷地查詢每個任務(wù)是否有事件發(fā)生,如果發(fā)生,就執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù),如果沒有發(fā)生,就查詢下一個任務(wù)。在開發(fā)應(yīng)用層的時候,通過osalAddTasks()函數(shù)創(chuàng)建 OSAL 任務(wù)來運(yùn)行任務(wù)程序。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集是無線模塊的重要的部分。當(dāng)終端模塊接收到協(xié)調(diào)器廣播發(fā)送的采集開始命令后,布置在變壓器油箱壁上的9個終端設(shè)備同步開始采集。每個終端根據(jù)定時器定時采集1 s的數(shù)據(jù),共計 8 000 byte。采集滿1 s之后各終端根據(jù)程序預(yù)設(shè)依次將數(shù)據(jù)無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器。

數(shù)據(jù)采集的流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

1.2.3 無線通信模式設(shè)計

該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)含有9個終端節(jié)點(diǎn)和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),組成星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖疽鈭D如圖9所示,中心節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器,外圍的設(shè)備為終端采集設(shè)備。

圖9 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)中的各終端節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上,由協(xié)調(diào)器進(jìn)行命令的廣播和網(wǎng)絡(luò)配置。當(dāng)終端設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)時會被分配一個短地址,在其所在的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。這個地址主要用于在網(wǎng)絡(luò)中辨識設(shè)備,傳遞信息。

當(dāng)終端將采集數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器之后,協(xié)調(diào)器若是沒有收到數(shù)據(jù),底層會啟動數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制。上層對數(shù)據(jù)進(jìn)行長度校驗(yàn),若是校驗(yàn)不通過,則丟棄該包數(shù)據(jù)。校驗(yàn)通過之后,協(xié)調(diào)器將各終端數(shù)據(jù)按通道進(jìn)行存儲。

2 實(shí)現(xiàn)與測試

設(shè)計的無線振動傳感器實(shí)物如圖10所示,其中圖10(a)為無線傳感終端,其底部安裝有磁座,方便傳感器安裝。圖10(b)為協(xié)調(diào)器。

圖10 無線振動傳感器實(shí)物圖

2.1 標(biāo)準(zhǔn)振動臺測試

基于振動分析的變壓器診斷中,關(guān)注的振動信號頻段在1 000 Hz以內(nèi),振動幅度在0.5gn～2gn。為了驗(yàn)證該無線傳感器在該頻段、振動幅度內(nèi)的采樣性能,在標(biāo)準(zhǔn)振動臺上進(jìn)行了測試。在輸入振動信號峰峰值分別為2gn和0.5gn的情況下,設(shè)置不同掃頻頻率,并與系統(tǒng)的采樣輸出進(jìn)行比較[10-11]。

對應(yīng)不同峰峰值在不同掃頻頻率下接收端采樣信號幅度如表2和表3所示。

表2 2 gn振動輸入信號在不同掃頻頻率下的采樣結(jié)果

表3 0.5 gn振動輸入信號在不同掃頻頻率下的采樣結(jié)果

無線接收端的波形如圖11和圖12所示(因篇幅有限,僅列出部分波形)。

圖11 輸入信號為160 Hz 2 gn峰峰值時的接收波形

圖12 輸入信號為160 Hz 0.5 gn峰峰值時的接收波形

由表格和波形圖的結(jié)果可以看出在頻率不是太高的情況下,無線采集的信號幅度準(zhǔn)確性較高,且波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波,當(dāng)頻率上升到1 kHz以上時,采集幅度的準(zhǔn)確率有所降低,這與采樣頻率設(shè)置為4 kHz有關(guān)。當(dāng)輸入信號峰峰值幅度降低時,接收端的信號幅值基本正確,但波形質(zhì)量有所下降,波形中存在畸變。

圖13 富陽變1號主變的測點(diǎn)布置圖

2.2 現(xiàn)場測試

為了進(jìn)一步測試無線模塊的性能,本文所設(shè)計的無線振動傳感器應(yīng)用于杭州電力局的富陽變一臺正在運(yùn)行的110 kV三相電力變壓器的在線監(jiān)測中,并分別采用有線和無線兩種傳感器模式進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)行波形對比[12-14]。測試中所使用的有線傳感器為ICP傳感器,靈敏度為500 mV/g。

現(xiàn)場的測點(diǎn)布置圖如圖13所示,有線ICP傳感器和無線傳感器各測點(diǎn)位置非常接近(如圖14),以期盡量減小兩類傳感器因放置位置不同而引入的差異。

圖14 有線傳感器與無線傳感器實(shí)際布置圖

1號位置測點(diǎn)有線和無線采集信號的波形對比如圖15所示。1號測點(diǎn)有線和無線采集信號的頻譜對比如圖16所示。

圖16 1號測點(diǎn)傳感器采集頻譜圖對比

圖15 1號測點(diǎn)傳感器采集波形圖對比

由無線傳感器采集得到的波形圖可觀察出波形呈現(xiàn)周期規(guī)律,且由頻譜圖可觀察出能量集中散布在50 Hz的倍頻上,符合變壓器的振動規(guī)律。

此外,由以上1號測點(diǎn)的有線和無線采集的波形對比圖和頻譜對比圖可以看出無線采集和有線采集得到的波形的形狀和幅度以及頻譜的分布基本保持一致。無線采集的信號更易受外界信號的影響,因此在接收到的無線原信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三點(diǎn)平滑濾波。濾波的結(jié)果和有線采集結(jié)果對比,信號的一致性更為強(qiáng)烈,這一點(diǎn)在波形圖表現(xiàn)得尤為明顯。

綜上,通過對無線傳感器采集得到的信號的分析,以及對無線采集方式和有線采集方式得到的信號的比對可知,無線傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器油箱壁振動信號的采集,且具有與有線ICP傳感器相當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于CC2530與ADIS16006的變壓器振動無線傳感器模塊,重點(diǎn)介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端及協(xié)調(diào)器的軟硬件設(shè)計。該網(wǎng)絡(luò)以低成本、低功耗等為設(shè)計目標(biāo),減少了有線傳感方案中現(xiàn)場布線的不便以及可能引入的誤差。振動臺試驗(yàn)與現(xiàn)場測試結(jié)果表明,該傳感器模塊可基本滿足變壓器振動監(jiān)測的精度要求。

此外,本設(shè)計采用的無線傳感網(wǎng)也具有一些固有的不足:如傳輸速率不高、通信距離有限、對現(xiàn)場環(huán)境干擾有一定要求等,因此該系統(tǒng)僅適用于對數(shù)據(jù)實(shí)時性要求不高、通信距離短、且現(xiàn)場環(huán)境中2.4 G頻段干擾小的場景。

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