基于ZigBee無線高壓直流智能微安表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹柏睿，張曉慧

（沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

近年來，通信技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，催生出了大量的新技術(shù)與發(fā)明應(yīng)用，其中依靠短程通信技術(shù)搭建的無線網(wǎng)絡(luò)，使得無線抄表技術(shù)在電力領(lǐng)域有了飛速的發(fā)展。低成本、低功率的ZigBee無線抄表系統(tǒng)應(yīng)用到了居民電能抄表過程中，改變了傳統(tǒng)的人工抄表模式，使得抄表更加準(zhǔn)確、高效。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)時(shí)效性差、檢測(cè)成本高等問題。針對(duì)目前高壓直流試驗(yàn)使用的有線直流微安表測(cè)量環(huán)境不安全、安裝調(diào)試復(fù)雜、后期數(shù)據(jù)維護(hù)不方便等問題，本文將ZigBee技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套近距離無線抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、使用安全、成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，解決了現(xiàn)場(chǎng)操作中存在的安全隱患、線路繁雜等問題。

1 短程通信技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。該技術(shù)具有傳輸距離短、復(fù)雜度低、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee協(xié)議從下到上分為應(yīng)用層（APL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、傳輸層（TL）、媒體訪問控制層（MAC）、物理層（PHY）等，其中MAC和PHY遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee技術(shù)是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)的方案，依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)通信于數(shù)千個(gè)微小傳感器之間。這種傳輸只需很小的能量，即可將無線電波數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，通信效率高。ZigBee作為一種短距離無線通信技術(shù)，相較于藍(lán)牙技術(shù)，其具有大規(guī)模組網(wǎng)能力（每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，藍(lán)牙僅為8個(gè)），網(wǎng)絡(luò)加入及重載速度快（1 s以內(nèi)，藍(lán)牙需3 s），故在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)的缺點(diǎn)在于：

1）傳輸速率低，在2.4 GHz頻段僅為250 kb/s；

2）ZigBee通過PHY及MAC層保證其可靠性，由于ZigBee不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式且隨機(jī)接入MAC層，故不支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；

3）由于ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸速率低，在無通信需求時(shí)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)入休眠狀態(tài)。

ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）功耗極低，休眠模式僅為正常狀況的千分之一，而其休眠時(shí)間占據(jù)大部分時(shí)間，故ZigBee具有超長(zhǎng)續(xù)航能力；

2）ZigBee擁有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包含65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，可布置大范圍網(wǎng)絡(luò)傳輸及多播、廣播等。

當(dāng)前，ZigBee共同標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際ZigBee與2012年4月推出的ZigBee Light Link（ZLL）。該標(biāo)準(zhǔn)由全球主要設(shè)備制造商共同開發(fā)，這不僅僅是對(duì)一種先進(jìn)燈控應(yīng)用傳遞協(xié)議做出定義，更是將一種簡(jiǎn)便的配置方式納入其中，真正使消費(fèi)者可以做到開箱即用。另外，ZLL還具有ZigBee所具有的固有優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)基于IEEE 802.15.4的低功率、低成本、大規(guī)模、安全的無線傳輸網(wǎng)。

2 智能微安表電路組成及基本原理

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無線高壓直流微安表系統(tǒng)共有3個(gè)部分組成，分別為測(cè)量終端、手持操作機(jī)、上位機(jī)（PC機(jī)數(shù)據(jù)讀?。?。高壓直流試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

上位機(jī)部分為基于PC端的軟件，通過USB通信接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)手持設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，為試驗(yàn)設(shè)備的安全狀態(tài)建立數(shù)據(jù)檔案，將每一次高壓試驗(yàn)采集到的不同設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過PC端的分類、整理可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)絕緣器件狀態(tài)的數(shù)據(jù)管理，再經(jīng)過一定的軟件分析可以篩選、評(píng)估出即將產(chǎn)生絕緣缺陷的器件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢修的主動(dòng)選擇性，使有限的資源得到最大的利用，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

圖1 無線高壓直流測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量終端部分即為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量電流表，它是整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量的基礎(chǔ)，為手持設(shè)備與PC上位機(jī)提供試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。為滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的高電壓安全要求，設(shè)計(jì)了多種保護(hù)措施來保證測(cè)量表計(jì)與測(cè)量人員的安全，包括繼電器保護(hù)、光電隔離控制、高壓放電管、扼流線圈、穩(wěn)壓二極管等。整個(gè)系統(tǒng)的工作是通過測(cè)量終端對(duì)高壓試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過ZigBee無線通信模塊將測(cè)量終端上的數(shù)據(jù)傳送給手持機(jī)，在手持機(jī)上通過ZigBee無線通信模塊發(fā)出測(cè)量與保護(hù)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量終端的數(shù)據(jù)讀取或保護(hù)的控制。測(cè)試工作結(jié)束后可以通過USB接口將手持機(jī)中存儲(chǔ)單元上保存的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)PC端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離線數(shù)據(jù)的分析，為檢修計(jì)劃提供依據(jù)。

手持操作機(jī)由電源模塊、ZigBee通信模塊、PIC18F單片機(jī)、LCD顯示屏、矩陣式鍵盤、存儲(chǔ)單元6個(gè)部分組成。

2.2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一是測(cè)量終端設(shè)計(jì)；二是手持操作機(jī)設(shè)計(jì)。兩個(gè)模塊包含相同的無線ZigBee通信模塊和同一系列的PIC18F單片機(jī)。除此之外，其他各部分模塊分別為測(cè)量終端電源模塊、測(cè)量終端信號(hào)采集模塊、手持機(jī)部分電源模塊、128*64LCD顯示屏、M25P儲(chǔ)存器、矩陣式鍵盤。

2.2.1 電源模塊

測(cè)量終端與手持機(jī)都采用2節(jié)3.17 V具有高能量密度的聚合物鋰離子電池。測(cè)量終端使用PS3120升壓芯片為程控運(yùn)算放大器、ZigBee通信模塊、PIC模塊提供3.3 V穩(wěn)定輸出電壓。終端電源狀態(tài)顯示設(shè)計(jì)電路如圖2所示。手持機(jī)使用XC6206穩(wěn)壓芯片為PIC單片機(jī)、無線通信模塊、顯示屏、矩陣式鍵盤等提供3.3 V工作電壓。電池設(shè)有剩余電量顯示設(shè)計(jì)，電量充足時(shí)，綠色LED指示燈亮起；電量不足時(shí)熄滅。手持機(jī)電量狀態(tài)顯示設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖2 測(cè)量終端電量狀態(tài)顯示設(shè)計(jì)電路

圖3 手持機(jī)電量狀態(tài)顯示設(shè)計(jì)電路

2.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用PIC18F系列單片機(jī)，該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上采用面向工程、面向應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念，品種豐富，功能齊全。測(cè)量終端使用的單片機(jī)型號(hào)為PIC18F25k80，共有28個(gè)引腳，在系統(tǒng)中主要使用12位八通道的ADC口，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，使用IO接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Zigbee模塊的通信控制。測(cè)量終端單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖4所示。手持機(jī)采用的單片機(jī)型號(hào)為PIC18F4520，共有44個(gè)引腳，具有13路輸入通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，最多可使用5個(gè)端口的IO接口，主要增加了一些鍵盤、顯示屏和寄存器等外設(shè)，在系統(tǒng)中主要應(yīng)用IO口控制鍵盤、顯示屏輸出、儲(chǔ)存芯片與ZigBee通信模塊。手持機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖5所示。

圖4 測(cè)量終端單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

圖5 手持機(jī)最小單片機(jī)系統(tǒng)

2.2.3 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊是手持機(jī)與測(cè)量終端之間的橋梁。測(cè)量終端與手持機(jī)設(shè)有相同的ZigBee通信模塊，采用2.4 GHz免授權(quán)頻段，通信傳輸距離最大可達(dá)2 000 m。ZigBee無線模塊的功能是實(shí)現(xiàn)高壓直流試驗(yàn)電流數(shù)據(jù)的無線測(cè)量。

2.3 基準(zhǔn)電壓電路仿真測(cè)試

建立測(cè)量終端的數(shù)據(jù)采集模塊，仿真電路如圖6所示。由于DSP芯片ADC采集信號(hào)極性的限制，需要將交流信號(hào)進(jìn)行電壓拉升，保證輸入信號(hào)在負(fù)半周，經(jīng)過ADC模塊時(shí)極性為正。在電流采集電路中，疊加一個(gè)2 V的直流偏置電壓，使輸出交流信號(hào)處在0～3 V之間，以滿足ADC模塊的采樣范圍要求。

圖6 測(cè)量終端采樣仿真電路

在高壓直流試驗(yàn)中，通過試品的電流正常值一般在幾百到幾千微安，設(shè)置仿真輸入信號(hào)為25 mA，輸入信號(hào)為帶有負(fù)半周的交流信號(hào)。輸入信號(hào)電壓波形如圖7所示。

圖7 輸入信號(hào)電壓波形

由于DSP芯片ADC僅能識(shí)別正信號(hào)，而輸入的電流信號(hào)為交流信號(hào)，在經(jīng)過負(fù)半周期時(shí)，數(shù)值為負(fù)。這就需要一定的處理，才能保證數(shù)據(jù)的完整性。本文設(shè)計(jì)一個(gè)+2 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓疊加在放大器的輸入端，使交流信號(hào)處在0～2 V區(qū)間，以滿足ADC采樣模塊的采樣要求。校準(zhǔn)后的基準(zhǔn)電壓偏移實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 疊加基準(zhǔn)電壓后電壓波形

3 測(cè)量終端軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高壓直流試驗(yàn)中，由于流過試品的電流十分微小，一般不超過2 mA，這就對(duì)數(shù)據(jù)處理的靈敏度要求比較高。為此本文采用AD8231數(shù)字編程可調(diào)放大器，通過設(shè)置3個(gè)IO口可將其增益放大1、2、4、8、16、32、64、128倍，AD8231增益設(shè)置真值表如表1所示，CS為放大器片選信號(hào)，A0～A2為配置AD8231的放大倍數(shù)。

表1 AD8231增益設(shè)置真值表

本文設(shè)計(jì)提供3個(gè)量程選擇，如表2所示。

表2 手持機(jī)測(cè)量量程表

手持機(jī)測(cè)量量程的流程如圖9所示。

圖9 測(cè)量量程流程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際情況，在接入的電流超出所選擇的量程情況下，系統(tǒng)將能識(shí)別出電流越限，并通過無線傳輸發(fā)送給手持機(jī)，給出錯(cuò)誤代碼，指示測(cè)量人員選擇正確模式。

4 結(jié) 語

與有線式的高壓直流微安表相比，無線高壓直流微安表不僅測(cè)量精度滿足要求，而且大大地提高了測(cè)量過程的安全性，避免了與現(xiàn)場(chǎng)高壓設(shè)備的直接接觸，該設(shè)計(jì)還可以擴(kuò)展到其他高壓設(shè)備的數(shù)值讀取上，以此降低運(yùn)行人員發(fā)生觸電事故的風(fēng)險(xiǎn)。