基于WIFI技术的挂接地线信息收集装置研制

刘家军，刘梦娜，赵晓龙，陶凯

（西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048）

在电力系统中，为保证供电质量和供电可靠性，系统中运行的设备需要进行正常运行维护和定期的检修，而接地线是在维护和检修中最基本而又不可或缺的电气工具之一[1]。传统的电力检修施工作业，采用人工监控方式，需相关工作人员按照作业流程规范操作，记录现场运行数据，并将这些数据带回调度值班室由工作人员对记录的数据进行处理和存档，已经远远地不能满足现实需要。

目前在接地线信息管理系统方面，已有大量新的研究课题在不断涌现[1-5]，但也存在一定的局限性：采用短距离无线通讯技术——蓝牙技术，有效传输距离不到10 m，当传输路径上有障碍物时，数据的有效、快速传输会受到极大的影响；通过RS232串口将数据上传到PC机端的后台管理软件，进行调度管理，此通讯信道单一，无备用通信方式，也存在着一定的局限和不足。鉴于以上所述，将高速的互联网无线通讯技术应用于电力部门的运行与检修作业中已经成为必然趋势[6]。

1 信息收集装置整体框架及工作原理

基于WIFI技术的挂接地线状态信息收集装置首先通过GSM/GPRS网络实时接收下位机（信息检报装置[7]）采集到的地线作业信息（SMS短信和MMS彩信）；其次通过DSP 处理器读取信息内容，通过LCD 显示模块将所接收到的信息以自定义的格式显示出来；最后通过DSP 处理器的控制将上述数据通过WIFI无线网络或USB接口实时上传到PC机端的后台管理软件[8-9]，该软件通过图文并茂的方式呈现地线作业工区的作业和环境信息，供调度管理人员进行数据监控、分析与存档，达到实时在线监测的目的。其硬件结构和功能框图如图1所示。

图1 装置硬件结构和功能原理图Fig. 1 Schematic diagram of hardware structure and function

2 装置硬件设计

信息收集装置，由DSP处理器芯片、GPRS/GSM通讯模块、WIFI模块、USB模块、LCD液晶显示模块、电源模块和外部输入电源等组成。

2.1 WIFI通讯模块及外围电路

本装置采用一款一体化的802.11b/g/n WIFI的低功耗嵌入式WIFI模块USR-WIFI232-T，该模块提供了一种将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，并提供UART数据传输接口的解决方案。通过该模块，传统的低端串口设备或MCU控制的设备可方便接入到WIFI无线网络，从而实现物联网络控制与管理。

2.1.1 WIFI模块管脚定义

串口WIFI模块USR-WIFI232-T外观图和管脚定义如图2所示。

图2 WIFI模块及其管脚定义Fig. 2 WIFI module and the pin definition

图中管脚2为模块的电源引脚，模块在工作是供电3.3 V，管脚1为其GND引脚，管脚5和管脚6分别为模块的串口接收和发送引脚，模块正确实现数据传输功能主要与上述管脚有关。

2.1.2 电源电路

所选用的WIFI模块正常工作电压范围是3.0～3.6 V，由于常见的外接电源适配器输出电压是标准5 V，所以需要使用电平转换芯片对其进行转换，得到输出电压3.3 V。此处设计选用稳压器AMS1117_3.3芯片[10]，WIFI模块供电电路如图3所示。输入电压+5 V，经过稳压器AMS1117_3.3的电平转换作用降到+3.3 V来满足模块的工作电压。

图3 WIFI模块供电电路Fig. 3 WIFI module power supply circuit

2.1.3 对应接口

WIFI模块与搭载板的对应管脚如图4所示，管脚VCC_3V3用来给模块供电，串口数据主要由RX和TX两个管脚进行接收和发送，READY引脚用来显示WIFI模块的工作状态，当READY引脚的LED灯亮时，允许WIFI模块产生网络热点，当LINK引脚的LED灯由灭转亮时，证明网络设备正在连接到该WIFI网络。

图4 WIFI模块对应接口Fig. 4 WIFI module corresponding interface

2.1.4 状态指示电路

WIFI模块工作和连接状态原理如图5所示。D2灯亮时，说明WIFI模块产生了网络热点，网络设备可以连接到该WIFI网络，D1灯由灭变亮时，证明网络设备正在连接到该WIFI网络。WIFI模块参数重置电路的设计是为了当模块工作出现异常状况时，可以通过手动按键，将模块参数恢复到初始参数，当手动恢复后，需要通过模块参数设置软件重新设置模块各项工作参数。

图5 WIFI模块状态显示电路Fig. 5 WIFI module status display circuit

2.1.5 串口电路

串口电路是一种采用两根信号线的异步串行通信接口，又称UART。为了缩短开发周期，获得资源的高效利用，本设计选用UART型接口的WIFI通讯方式，图6所示为WIFI模块对应的串行接口电路设计。

图6 WIFI模块串口电路Fig. 6 WIFI module serial interface circuit

2.2 其他模块

DSP处理器芯片采用TI公司生产的TMS320F2812作为核心处理器；GSM/GPRS通讯模块采用新加坡ESMART公司生产的IWOW TR800 GSM/GPRS 模块[11]；WIFI模块采用济南有人物联网技术有限公司生产的USR-WIFI232-T系列低功耗WIFI模块；液晶显示模块采用带中文字库的LCD12864图形液晶模块；外部输入电源采用额定输出为12 V/2 A的电源适配器；工作电源采用LM2596/LM96HV系列芯片来供电；考虑到DSP产生信号的驱动能力，需要使用电平转换芯片，对要用到的端口进行电平转换，电平转换芯片采用TI公司的SN74ALVC16425芯片；此外还有相应模块的外围电路部分。

3 系统软件设计

选用CCS3.3作为本软件系统开发平台，可有效提高代码执行率并缩短开发周期。该装置主要完成接地线挂接状态数据的接收和上传，程序整体框架如图7所示。

图7 程序整体框架Fig. 7 The overall framework of program

3.1 主程序设计

主程序是计算机基本的被独立提供出来的程序，它能够调用子程序而不被任何子程序所调用，是程序的中心部分。本系统主程序结构化流程图如图8所示。

图8 结构化主程序流程图Fig. 8 Structured main program flow chart

3.2 WIFI通信与USB通信之间的切换

当DSP处理器芯片完成数据信息的处理后会驱动WIFI模块，通过WIFI无线网络将信息传送给PC机后台软件，进而由后台软件进行下一步的分析与统计；在WIFI通信通道出现异常情况而无法正常传输数据时，DSP处理器芯片将会驱动USB模块，启动USB通信通道，装置继续通过USB通信通道向PC机后台系统传输数据，直到数据传输完成，保证了信息完整可靠地传输。两种通信间的工作转换过程如图9所示。

图9 WIFI通信与USB通信之间的切换Fig. 9 Switching between WIFI communication and USB communication

3.3 WIFI数据传输原理

3.3.1 WIFI网络搜索协议

装置传输的数据是来自于TR800通讯模块接收的数据，处理器通过控制TR800通讯模块下载彩信数据，并将彩信数据通过串口传输给WIFI模块，WIFI模块通过已有的数据传输协议，将串口数据通过无线网络上传到计算机端的网络数据端口或者具备WIFI网络数据接收的管理软件。图10所示为WIFI网络搜索协议流程图。

图10 WIFI网络搜索协议流程图Fig. 10 WIFI Internet search deal flow chart

3.3.2 WIFI网络数据传输

串口数据组帧机制分为2种：1）UART自由组帧机制：模块在接收到UART传输过来的数据时，会不断检查相邻2个字节的间隔时间。如果间隔时间大于250 ms，则认为一帧结束，否则会一直接收数据直到大于1 000字节。模块判断串口上一帧结束后，转发到WIFI接口，并且清除数据缓存区。2）UART自动成帧机制对于串口上定长的数据帧，可以通过开启UART自动成帧功能，模块可以把从串口接收到的数据自动组成数据帧，进而转发到网络上去，以达到最高的转发效率。如图11 WIFI网络数据组帧机制流程图。

图11 WIFI网UART数据成帧机制Fig. 11 WIFI network UART data into frame mechanism

4 结语

本文所研究的基于WIFI技术的挂接地线状态信息收集装置在数据传输快速、可靠性，布线灵活性等方面有了很大的提升与改善。通过GSM/GPRS网络通讯模块正确接收从下位机发送的数据信息，由微处理器TMS320F2812与LCD液晶图形显示模块进行处理和显示，进而利用WIFI无线网络通讯模块与USB模块互为备用将上述数据实时上传至PC端的网络端口或USB接口，保证数据传输的快速高效性和便携灵活性，有利于提升接触网检修工作效率和保证整个检修任务的安全展开，适应电网快速发展的科技需求。

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