基于ZigBee无线高压直流智能微安表系统设计

2019-05-20尹柏睿张晓慧

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2019年2期

尹柏睿，张晓慧

（沈阳工程学院 a.研究生部；b.电力学院，辽宁沈阳 110136）

近年来，通信技术、微电子技术的快速发展，催生出了大量的新技术与发明应用，其中依靠短程通信技术搭建的无线网络，使得无线抄表技术在电力领域有了飞速的发展。低成本、低功率的ZigBee无线抄表系统应用到了居民电能抄表过程中，改变了传统的人工抄表模式，使得抄表更加准确、高效。无线传感器网络应用于水产养殖，对水质进行监测，解决了传统检测方法劳动强度大、数据时效性差、检测成本高等问题。针对目前高压直流试验使用的有线直流微安表测量环境不安全、安装调试复杂、后期数据维护不方便等问题，本文将ZigBee技术与微电子技术结合，设计了一套近距离无线抄表系统。该系统具有测量精度高、使用安全、成本低、操作简单等特点，解决了现场操作中存在的安全隐患、线路繁杂等问题。

1 短程通信技术简介

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。该技术具有传输距离短、复杂度低、功耗低、成本低等优点，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee协议从下到上分为应用层（APL）、网络层（NWK）、传输层（TL）、媒体访问控制层（MAC）、物理层（PHY）等，其中MAC和PHY遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee技术是一种介于无线标记技术和蓝牙技术的方案，依据IEEE 802.15.4标准，可实现通信于数千个微小传感器之间。这种传输只需很小的能量，即可将无线电波数据从一个节点传输到另一个节点，通信效率高。ZigBee作为一种短距离无线通信技术，相较于蓝牙技术，其具有大规模组网能力（每个网络有65 000个节点，蓝牙仅为8个），网络加入及重载速度快（1 s以内，蓝牙需3 s），故在物联网领域具有较好的应用前景。ZigBee技术的缺点在于：

1）传输速率低，在2.4 GHz频段仅为250 kb/s；

2）ZigBee通过PHY及MAC层保证其可靠性，由于ZigBee不支持时分复用的信道接入方式且随机接入MAC层，故不支持实时业务；

3）由于ZigBee节点传输速率低，在无通信需求时节点可进入休眠状态。

ZigBee技术的优点在于：

1）功耗极低，休眠模式仅为正常状况的千分之一，而其休眠时间占据大部分时间，故ZigBee具有超长续航能力；

2）ZigBee拥有大规模的组网能力，每个网络包含65 000个节点，可布置大范围网络传输及多播、广播等。

当前，ZigBee共同标准为国际ZigBee与2012年4月推出的ZigBee Light Link（ZLL）。该标准由全球主要设备制造商共同开发，这不仅仅是对一种先进灯控应用传递协议做出定义，更是将一种简便的配置方式纳入其中，真正使消费者可以做到开箱即用。另外，ZLL还具有ZigBee所具有的固有优势，可实现基于IEEE 802.15.4的低功率、低成本、大规模、安全的无线传输网。

2 智能微安表电路组成及基本原理

2.1 系统方案设计

无线高压直流微安表系统共有3个部分组成，分别为测量终端、手持操作机、上位机（PC机数据读取）。高压直流试验测量系统如图1所示。

上位机部分为基于PC端的软件，通过USB通信接口实现PC机对手持设备的现场试验数据的采集，为试验设备的安全状态建立数据档案，将每一次高压试验采集到的不同设备试验数据通过PC端的分类、整理可以实现整个系统相关绝缘器件状态的数据管理，再经过一定的软件分析可以筛选、评估出即将产生绝缘缺陷的器件，实现现场检修的主动选择性，使有限的资源得到最大的利用，使系统的经济效益最大化。

图1 无线高压直流测量系统

测量终端部分即为现场测量电流表，它是整个系统测量的基础，为手持设备与PC上位机提供试验测量数据。为满足现场测量的高电压安全要求，设计了多种保护措施来保证测量表计与测量人员的安全，包括继电器保护、光电隔离控制、高压放电管、扼流线圈、稳压二极管等。整个系统的工作是通过测量终端对高压试验测量数据进行采集，通过ZigBee无线通信模块将测量终端上的数据传送给手持机，在手持机上通过ZigBee无线通信模块发出测量与保护指令，实现对测量终端的数据读取或保护的控制。测试工作结束后可以通过USB接口将手持机中存储单元上保存的数据上传到上位机PC端，从而实现对离线数据的分析，为检修计划提供依据。

手持操作机由电源模块、ZigBee通信模块、PIC18F单片机、LCD显示屏、矩阵式键盘、存储单元6个部分组成。

2.2 主要硬件电路设计

硬件设计分为两个部分：一是测量终端设计；二是手持操作机设计。两个模块包含相同的无线ZigBee通信模块和同一系列的PIC18F单片机。除此之外，其他各部分模块分别为测量终端电源模块、测量终端信号采集模块、手持机部分电源模块、128*64LCD显示屏、M25P储存器、矩阵式键盘。

2.2.1 电源模块

测量终端与手持机都采用2节3.17 V具有高能量密度的聚合物锂离子电池。测量终端使用PS3120升压芯片为程控运算放大器、ZigBee通信模块、PIC模块提供3.3 V稳定输出电压。终端电源状态显示设计电路如图2所示。手持机使用XC6206稳压芯片为PIC单片机、无线通信模块、显示屏、矩阵式键盘等提供3.3 V工作电压。电池设有剩余电量显示设计，电量充足时，绿色LED指示灯亮起；电量不足时熄灭。手持机电量状态显示设计电路如图3所示。

图2 测量终端电量状态显示设计电路

图3 手持机电量状态显示设计电路

2.2.2 单片机最小系统

系统采用PIC18F系列单片机，该产品在设计上采用面向工程、面向应用的设计理念，品种丰富，功能齐全。测量终端使用的单片机型号为PIC18F25k80，共有28个引脚，在系统中主要使用12位八通道的ADC口，实现测量数据的模数转换，使用IO接口实现对Zigbee模块的通信控制。测量终端单片机最小系统电路如图4所示。手持机采用的单片机型号为PIC18F4520，共有44个引脚，具有13路输入通道的10位模数转化模块，最多可使用5个端口的IO接口，主要增加了一些键盘、显示屏和寄存器等外设，在系统中主要应用IO口控制键盘、显示屏输出、储存芯片与ZigBee通信模块。手持机最小系统电路如图5所示。

图4 测量终端单片机最小系统电路

图5 手持机最小单片机系统

2.2.3 ZigBee通信模块

ZigBee通信模块是手持机与测量终端之间的桥梁。测量终端与手持机设有相同的ZigBee通信模块，采用2.4 GHz免授权频段，通信传输距离最大可达2 000 m。ZigBee无线模块的功能是实现高压直流试验电流数据的无线测量。

2.3 基准电压电路仿真测试

建立测量终端的数据采集模块，仿真电路如图6所示。由于DSP芯片ADC采集信号极性的限制，需要将交流信号进行电压拉升，保证输入信号在负半周，经过ADC模块时极性为正。在电流采集电路中，叠加一个2 V的直流偏置电压，使输出交流信号处在0～3 V之间，以满足ADC模块的采样范围要求。

图6 测量终端采样仿真电路

在高压直流试验中，通过试品的电流正常值一般在几百到几千微安，设置仿真输入信号为25 mA，输入信号为带有负半周的交流信号。输入信号电压波形如图7所示。

图7 输入信号电压波形

由于DSP芯片ADC仅能识别正信号，而输入的电流信号为交流信号，在经过负半周期时，数值为负。这就需要一定的处理，才能保证数据的完整性。本文设计一个+2 V的标准电压叠加在放大器的输入端，使交流信号处在0～2 V区间，以满足ADC采样模块的采样要求。校准后的基准电压偏移实验波形如图8所示。

图8 叠加基准电压后电压波形

3 测量终端软件设计

在进行高压直流试验中，由于流过试品的电流十分微小，一般不超过2 mA，这就对数据处理的灵敏度要求比较高。为此本文采用AD8231数字编程可调放大器，通过设置3个IO口可将其增益放大1、2、4、8、16、32、64、128倍，AD8231增益设置真值表如表1所示，CS为放大器片选信号，A0～A2为配置AD8231的放大倍数。