基于ZigBee的电力多变量无线监测系统设计

崔凤新

摘要：现有的电网设备参数监测系统大多采用有线方式传输监测数据，使得在特殊环境条件下布线困难，不易维护，由此提出采用ZigBee无线通信技术，以低功耗MSP430系列单片机为控制核心，完成对现场电压、电流、温度等参数在线采集，主控实时显示、监控和集中管理，并把数据远程传输回控制中心，从而控制中心可以实时监测到各个用电设备的电气参量系统具有布点灵活、安装方便等特点。

关键词：多参量；ZigBee；CC2530；无线远程监控

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0174-02

1 引言

现有的电网设备参数监测系统大多采用有线方式传输监测数据，使得在特殊环境条件下布线困难，不易维护。ZigBee技术的出现，使得对于电网谐波和重要设备状态的实时在线监测成为可行，文献[1]至[4]都介绍了基于ZigBee技术的无线监控系统在相关领域的成功应用，具有低功耗、高可靠性、低成本且不受网络宽带影响等优点。

本文主要通过CC2530芯片组建基于ZigBee技术一套对电力系统电压、电流以及温度进行实时无线远程监控的系统。

2 无线监测系统的总体结构

多参量无线监测电路MCU选择MSP430F5418，该处理器拥有强大的内部资源，优异的性能，低廉的价格，高效的开发环境，赢得了广泛的市场，成为单片机领域的一颗常青树。该单片机具有3个16位计数器通道、8路12位共享式AD转换器和2路UART通道，能够满足电力数据监测的电压、电流采集，以及LCD显示、三个红外按扭、485、ZigBee等等与处理器之间的端口占用。

主控制电路如图1所示，包括处理模块、存储模块、数据采集模块、键盘设置模块，其中数据采集模块则负责采集现场传感器的电压、电流和温度等信息，供给MCU处理；MCU模块处理数据模块，并将配置的数据参数存入到存储模块中，键盘设置模块响应现场的按键信号，LCD模块则显示不同的按键的内容和传感器采样信号，供现场数据监控；无线Zigbee模块构建无线传感器网络，接收远程数据配置控制命令，同时将测量数据进行无线数据传输到控制中心。

为了降低系统功耗，让终端节点定时检测电压、电流和温度信息，发送数据。软件运行过程中，只保留CPU内部定时器和中断终端节点，大部分时间被设定为休眠状态。

2.1 多參量数据采集模块

多参量数据采集模块主要采集电压电流、温度和入侵数据；其中，入侵、浸水为开关信号，经共模线圈的滤波后进入MCU的IO端口，MCU通过扫描端口获得端口状态；温度经隔离和差模放大电路进行信号放大调理，然后进入AD采样芯片模数转换后进行温度和压力的计算。

互感器经过隔离电路获取电流、电压信号，转换后的电信号经共模线圈的滤波后进入差模放大电路进行信号放大调理，然后进入AD采样芯片模数转换后进行电流和电压的计算，具体电路参照图2。

2.2 ZigBee无线节点设计

为减少CC2530射频芯片的外围电路设计，系统设计采用鼎泰克公司（DTK）生产的DRF1607HCC2530ZigBee封装芯片。

CC2530提供了基于TTL电平的UART通讯方式，电路中，从CPU引出RXD2、TXD2两根引线与CC2530的TX、RX连接。CC2530与MSP430F5418处理器连线电路如图3所示。

3 系统软件设计

ZigBee节点的软件设计采用模块化的思想，在TI公司提供的ZigBee标准的Z-Stack协议栈[5]用C设计，图4为系统数据无线监测节点主程序流程图。ZigBee协议有3种网络配置方式：星型、簇树型和Mesh网络。本设计采用Mesh网络，因为与另两种网络相比，Mesh网络能够减少消息时延，增强通信的可靠性。

上位机软件采用C#编写，主要实现对数据参数的实时监测和处理并显示，实时显示，提供系统运行状态的实时信息。

4 硬件及测试结果分析

实验将多参数在线监测节点依次接入ZigBee无线传感器网络，测试在无障碍物的情况下进行，选择透传模式，两个节点之间的传输距离在100m左右，能够较准确地完成对系统电压、电流以及温度的测量，可靠性较高。

5 结语

本文介绍了一种基于ZigBee电力多参量无线远程监测方案，系统以MSP430F5418为核心控制器，利用多参量数据采集模块采集网络参数、ZigBee无线传输模块构建无线传感器网络实现数据的无线传输，运行成本较低，且运行可靠，在控制中心即可实时了解到各个设备的工作状态，可广泛应用于无线远程监控领域。

参考文献

[1]谢苗苗，李华龙，罗伟.基于物联网的煤矿井下电力谐波在线监测节点设计[J].煤矿机械，2016，（1）：234-236.

[2]宿筱.基于无线传感网络的电网谐波监测系统设计[J].应用能源技术，2013年第10期：48-50.

[3]马丽萍，张卫国.基于ZigBee的电能质量监测系统的研究与设计[J].电源技术，2012，36（8）：1192-1195.

[4]丁凡，周永明.基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计[D].仪表技术与传感器，2013.

[5]HUA W W， YUAN Z H， YU X Z. A design of Z-stack application based on the IEEE address[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013 （401/403）：1272-1277.