基于WiFi的无线传输系统在电网监测中的应用*

慕呈祥　夏　立　王黎明　左　文

(海军工程大学电气工程学院　武汉　430033)



基于WiFi的无线传输系统在电网监测中的应用*

慕呈祥夏立王黎明左文

(海军工程大学电气工程学院武汉430033)

摘要针对当前电能质量监测大多采用有线方式,存在着布线复杂、测试繁琐、成本高等缺点。论文提出一种新的分布式无线监测系统,对电网进行实时监测。该系统采用STM32F103为核心的硬件平台,利用WiFi技术完成电能质量数据的无线传输。该系统布线简单、应用灵活、成本低,且较其他方式的无线传输系统传输速度得到了明显的提升,能够实现对电能质量数据的高速传输及可视化监控,具有一定的实用价值。

关键词WiFi; 嵌入式技术; 远程监测; 数据采集

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

随着经济的发展,科技的进步,人们的生产和生活对电能质量要求不断提高的同时,越来越多新设备的投入导致电网发生变动,产生了许多电能质量的问题,对电网的实时监测和管理提出了更高更复杂的要求。必须对全电网进行实时动态的监测,保证系统可靠稳定的运行和高质量供电,必须对全电网进行实时动态的监测[2]。目前对电网电能质量监测传输的方式都为有线传输,传统的有线监测手段存在着布线困难、难以调整以及安装、维护成本高等缺点。因此造成了调试、维护等工作量大、灵活性差、设备的自动化技术水平较低。同时电能质量的数据量较大,对传输系统的传输速率和实时性要求更加苛刻。在保证传输速率以及克服有线传输不足的前提下,提出了一种基于无线的高速传输技术,对电网进行实时的监测,既保证数据的有效传输,又能弥补有线带来的不便。

2无线通信方式的选择

2.1常用三种工业无线技术比较

无线通讯技术的引入,可以减少现场布线,降低成本,提高工作效率和自动化水平,且操作更加灵活,因此在工业应用中的到了广泛的关注。无线传输系统发展的趋势是网络化、集成化、智能化、微型化,随着电子技术、通讯技术的高速发展,无线技术必将成为研究的热点。目前工业应用较多的近距离无线通讯方式主要有蓝牙技术、ZigBee技术、WiFi技术[1]。

1) ZigBee技术是一种低速短距离传输的无线网络协议,是IEEE 802.15.4协议的代名词。ZigBee的传输距离短;数据传输速率低,在2.4GHz的频段的传输速率只有250kb/s;时延不易确定,由于ZigBee不支持分时复用的信道接入方式,因此不能提供高质量的实时数据的传输。

2) 蓝牙技术是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术,使用IEEE802.15协议。与其他工作在相同频段的系统相比,蓝牙的高速跳频技术使其比其他系统更稳定,但带来的代价是传输的数据包比较短,数据传输效率很低。

3) WiFi全称Wireless Fidelity,即“无线保真度”。技术是使用802.11标准协议的局域网,定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。现有的通信标准有802.11a,802.11b,802.11g,802.11n等。它是一种短程的无线传输技术,能够在数百米范围内(室内100m,室外300m)支持互联网接入的无线电信号。表1为三种通信方式的对比。

表1　通信方式对比

2.2WiFi技术优势

1) 传输速度高:WiFi的传输速率可以达到11Mbps～54Mbps(新标准可以达到300Mbps),传输速率较蓝牙和ZigBee有很大的提升。

2) 无线覆盖范围广:WiFi的传输半径100m,完全满足工业对无线传输距离的要求。

3) 健康安全:IEEE802.11规定的发射功率不可超过100mW,实际发射功率约60mW～70mW,而手机的发射功率约200mW～1W,手持式对讲机高达5W。从对比可以看出,WiFi产品对人体的辐射很小[1～3]。

由于电能质量数据量庞大,对信息的实时获取要求严格。而WiFi的传输速率可以达到54Mbps,解决了传统无线传输速度慢、实时性差的缺点,完全可以对电网进行实时、快速的监测。因此该系统选择基于WiFi的无线传输系统,实现数据的高速传输,维护电力系统安全稳定的运行。

3系统硬件设计

3.1系统总体设计

本设计针对的是电网数据的采集传输,首先将电流、电压引入检测装置,经过A/D转换后将采集到的电力参数通过无线方式传输给上位机,这些设备可以是手机、笔记本或者手持设备[5]。无线监测系统结构图如图1所示。

图1　无线监测系统结构图

该装置电源模块提供了3.3V、5V、15V三种电压,其中AD采集模块直接5V供电,STM32F103与WiFi模块的供电方式则通过LM1117-3.3电源模块将5V转换成3.3V进行供电,同时5V电源经过E5015S模块产生±15V电压为LM258提供基准电压。开发板上电后,采集电路对电网中的电压和电流信号进行同步采集,AD7606对采集的模拟电压信号进行模数转换,将模拟量转换为数字量[8]。CPU控制SPI读取转换后的数字量,利用SDIO接口将处理后的数据传输到WiFi模块,利用WiFi与上位机建立无线通讯,通过上位机显示的数据变化可以对电网信息进行实时监测,保障电网安全稳定的运行[4]。

3.2STM32处理器模块设计

主芯片选用的是意法半导体公司生产的STM32F103RET6,32bit Cortex-M3微控制器,内部搭载72MHz系统时钟频率、512KB闪存程序存储器等。该控制器具有丰富的外设和较强的抗干扰能力,很适用于工业现场控制。主芯片的供电方面,VDD外接五个稳定电容器给芯片供电,以提高供电的稳定性,电压变动不至于损坏芯片,操作电压为3.3V,提供I/O管脚和内部调压器的供电。启动模式被选为用户闪存,BOOT0端被接地拉低。外接8MHz高速外部晶振,提供脉冲时钟。启动后,主芯片控制前端的采集、转换后的传输、通过无线方式将采集转换的数据传输给上位机[9]。其硬件电路设计如图2所示。

图2　处理器模块电路

3.3采集模块设计

本设计的AD采集模块采用美国ADI公司生产的AD7606芯片,能完全满足电力系统对采样的要求,该芯片采用高速、低功耗、电荷再分配逐次逼近型模数转换器的数据采集系统,主要用于电网监测装置采集数据的在线实时获取和数字化。内置模拟输入箝位保护、跟踪保持放大器、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口等[7]。其硬件电路设计如图3所示。

图3　采集模块电路

硬件电路设计是采用串行接口模式,通过SPI的MISO接口与DOUTA引脚相连,将采集到的数据传输出去。将引脚CONVST A,CONVST B短接以选择所有输入通道的同步采样,RANGE接高电平或低电平来选择模拟输入范围。nPAR/SER/BYTE SEL引脚外接3.3V电压,使其处于逻辑高电平,即选择串行接口。在串口模式下,CPU利用GPIO在定时器的高低电平触发AD7606的CONVST引脚进行AD转换,CS是片选引脚,当引脚是低电平时使能串行数据传输。

3.4WiFi模块设计

本设计使用的WiFi芯片为台湾USI(Universal Scientific Industrial Co Ltd.环隆电气股份有限公司)公司生产的WM-G-MR-09模块。该模块使用Marvell公司的88W8686芯片进行模块化封装,兼容IEEE802.11a/g/b协议,并在单芯片内高度集成了媒体访问控制模块、基带模块和射频模块的片上系统,且运用了简化天线技术。模块内部设置了屏蔽,以避免CDMA/GSM等其他信号对模块信号产生干扰。此外,模块内部使用了38.4MHz晶振,提供WiFi工作频率。MR09基于IEEE802.11b/g标准,支持SDIO和SPI两种接口方式,SDIO的传输速率比SPI的要快,相应的功耗也要大[4],为了满足大数据传输的要求,本文选用SDIO接口与STM32微处理器进行通信,SDIO模式时将IF_SEL_1与IF_SEL_2不做任何连线。引脚ECSN与SCLK用于启动方式的选择,本系统采用主接口总线启动,因此引脚ECSN与SCLK没有连线。此外,WiFi模块在发送和接收数据时,功耗都是固定的,不受数据收发速率的影响。故可以在不增加其他功耗的基础上,选择更高的数据收发速率,提高终端性能。其硬件电路设计如图4所示。

图4　WiFi模块电路

4系统软件设计

软件设计的任务是根据应用系统总体设计方案的要求和硬件结构,设计出能够实现系统要求的各种功能的控制程序。一般情况下,在程序设计的时候应采用模块化设计思想。本系统软件设计包括电网采集节点的采集程序设计和无线传输程序设计等。在实际的嵌入式应用中,考虑到各方面因素,对硬件资源往往会受到限制。因此本系统采用在无操作系统环境下运行[7]。

系统软件开发采用Keil uVision4开发平台,用于程序的编写、调试及开发。软件设计主要包括主程序设计、采集系统程序设计、无线传输系统设计等。程序流程图如图5所示。

图5　系统程序流程图

4.1采集系统程序设计

CPU对AD7606进行控制采样、读取数据操作。串行模式下基于AD7606的电压/电流数据采集系统进行AD转换,首先AD7606的SCLK输入信号为串行读取操作提供时钟源。nCS变为低电平,以从AD7606中访问数据。将AD7606复位,然后给AD7606的CONVST A、CONVST B引脚一个低电平的脉冲信号,启动AD转换,AD7606的BUSY引脚变为高电平,开始AD转换过程;当AD转换结束后,AD7606的BUSY引脚自动变成低电平,然后对AD7606进行读操作,读取并行数据总线上的数据传输给CPU[9]。

4.2WiFi无线传输系统程序设计

WiFi模块通过SDIO串口与stm32进行通信,WiFi模块通过SDIO接收stm32处理后的数字信号,并对其进行打包封装,利用lwip协议将数据包发送到上位机。

开发板上电后,先对无线参数进行配置,选择无线网络连接模式。如果想要启动保存配置信息到FLASH中应该先打开此选项,否则内部flash功能不生效。相应初始化之后进行网络扫描,结果存放在priv→network数据域中。扫描完成后进行网络关联,通过UDP进行连接发送数据。最后建立TCP服务器,通过TCP客户端连接到PC机显示发送的数据。在连接过程中如果出现AP掉线,系统将重启网卡,重新扫描网络,建立连接。

4.3数据压缩程序设计

由于高速的采样频率带来了巨大的采集数据,对数据的传输、存储和计算造成很大的压力。理想电压、电流信号的波形表现为标准的正弦波形,具有对称性、周期相似性和关于原点的奇函数。实际的电网信号并不表现为标准的正弦波形,但在整体上仍然可以近似地保持正弦形状。因此对采集数据进行压缩处理是提高无线传输速率的重要环节。本设计引入了基于归一化测度与LZW结合的数据压缩算法[10]。

归一化距离测度压缩:首先选定第一个周期1/4时间内的采样数据作为基准,对采集信号进行归一化距离测度的畸变判定,未畸变的数据用基准数据替换,只记录1/4周期的个数,将畸变数据进行完全记录;并将畸变数据替代原始基准数据,继续进行下一轮畸变判定,直到所有数据判定结束。图6给出了归一化距离压缩的流程图。

图6　归一化距离压缩的流程图

由于归一化距离结合了camberra距离与欧氏距离,具有很好的畸变检测能力,不受量纲限制,具有一定的抗干扰性。归一化距离测度计算方法见式(1)。

x=(x1,x2,,…,xn)T,y=(y1,y2,…,yn)T

(1)

其中x、y为两个输入向量。压缩效果图中一段如图7所示。

图7　归一化距离压缩效果图

LZW数据压缩编码:观察归一化距离压缩后数据的特点以及进一步提高压缩比,本文引入了LZW数据压缩编码,流程图如图8所示。

图8　LZW压缩编码流程图

其中P为字符前缀,表示正在被处理的字符。C为当前字符,正在被读取的字符。String为字符串,由(P,C)组成。

LZW编码是一种利用串表技术的压缩方法,是普通字典编码的升级版本,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现的所有待处理字符[11]。字符串和码字之间建立对应关系。更新的字符串与串表进行比较,生成更大的串表。生成的串表不需要随着数据一块存储和传输,在解压缩的过程中仍然能够重建一个完全相同的串表,从而进一步地提高压缩效率。

5结语

由于电能的数据量巨大,对目前的无线传输方式来说传输速率的高低直接影响了传输质量,进而降低了监测的准确性,影响人们的生活、生产等各方面。本设计从无线通信方式的选择、芯片的选取、电路的设计等方面入手,保证系统稳定性的同时,提高了无线传输的传输速率,最后通过数据压缩算法的引入,进一步提升了传输速率以及稳定性。实现了对电网数据的实时准确的监测。提高了工作效率,对不能布线或很难布线的监测点实现了数据的采集和传输,工作稳定,具有很好的实际应用价值。

参 考 文 献

[1] 黄建凡,朱为,堵国.心电监护系统中WiFi传输的设计与实现[J].电子器件,2013,36(4):514-518.

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[3] 轩志伟,张志杰.基于ARM+WiFi无线数据传输系统设计[J].测控技术,2013,32(12):53-56.

[4] 张德建.基于WiFi的室内定位系统的研究与设计[D].武汉:华中师范大学,2014.

[5] IEEE 802.11 WORKING GROUP. Draft Supple-ment to STANDARD FOR Telecommunications a-nd Information Exchange Between Systems-LAN/MAN Specific Requirements[S]. 2003.

[6] 周润景.Altium Designer原理图与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2011.

[7] 王黎明,夏立,闫晓玲.嵌入式系统开发与应用[M].武汉:海军工程大学出版社,2013.

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[9] 陶海军,张一鸣,曾志辉.基于AD7606的多通道数据采集系统设计[J].工矿自动化,2013,39(12):110-114.

[10] 黄南天,徐殿国,曾志辉,等.基于模式相似性测度的电能质量数据压缩方法[J].电工技术学报,2011,26(10):39-61.

[11] 王大为.数据压缩方法研究及其在电力系统中的应用[D].秦皇岛:燕山大学,2014.

中图分类号TN918

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.016

作者简介:慕呈祥,男,硕士研究生,研究方向:电能智能化控制技术及嵌入系统设计。夏立,男,教授,博士生导师,研究方向:电力系统监测与控制、系统监测与故障诊断。王黎明,男,副教授,硕士生导师,研究方向:电网自动化调度与管理技术、嵌入式系统设计与开发。左文,男,博士研究生,研究方向:舰船智能化控制,嵌入式系统及ARM在电力系统监测中的运用。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年9月1日