基于SI1000的输电线路状态监测单元的设计

蓝 彦，孙 骏，曹翊军，罗孝兵

（南瑞集团水利水电技术分公司，江苏 南京210000）

在架空输电线路状态监测领域中，需要针对导线温度、金具温度、导线弧垂、绝缘子风偏、覆冰厚度、微风振动等参数进行长期监测。由于各类参数的监测单元安装位置是在输电线路上,因此要求其体积尽可能小、重量轻、安装方便。由于针对线上取电，相关部门有严格的条件要求，因此必须考虑合理的方式来解决监测单元的供电问题。针对以上的应用场合，本文介绍了一种微功耗的无线监测单元，采用了无线SoC片上系统的设计方案，使得其体积小、重量轻、功耗极低，仅使用电池供电，可以满足监测单元在长期无市电的条件下可靠正常工作。

1 工作原理

无线监测单元工作原理框图如图1所示。

无线监测单元安装于架空输电导地线上，负责各类传感要素的测量，例如导线温度、金具温度、导线弧垂、导线风偏等。传感器将采集到的电测量接入微控制器SI1000，经SI1000处理后得到相应的物理量，然后通过无线射频接口RF发送到在线监测单元。无线监测单元的电源采用锂电池供电，降低了监测单元对外部电源的依赖性。在线监测单元通过SI1000单片机的无线射频接口接收来自无线监测单元的数据，采集到的数据经过数据处理后，提供给远程主站，主站可对输电线路运行状态进行实时的监测。由于在线监测单元的安装位置不在架空线路上，其电源可通过多种方式提供。

每个无线监测单元有自己唯一的ID，主站可通过该ID地址来识别线路传感器的类型和位置。无线监测单元采用自报的方式向主站系统传送数据，每隔一定的时间间隔向主站报送数据，平时无线监测单元处于掉电状态，因此无线监测单元功耗很小，可长期在无外部电源的供应下在线工作。

2 硬件设计

2.1 SI1000单片机功能特点

SI1000是一款微功耗、小体积并具备强大无线通信功能的51类型的单片机，作为无线采集单元的核心部件,负责采集传感器的信号并通过无线射频接口与主站通信。该芯片由美国Silicon Labs公司推出，内部集成了25 MHz的8051内核、EZRadioPRO系列的射频模块、64 KB的 Flash、4 KB+256 B的 RAM,封装在 5 mm×7 mm的 42-pin QFN贴片中。

该处理器工作在掉电状态仅有0.1 μA左右的电流，仅内部 RTC工作时，功耗为 0.6 μA。SI1000微控制器内部使用四线制 SPI总线(MOSI、MISO、SCK和 NSS)与射频模块进行通信，SI1000将射频模块作为外设进行访问，可以通过设置射频模块的寄存器灵活配置射频收发的各项参数。SI1000内部的EZRadioPRO系列射频模块输出频率符合 ISM标准，可从 240 MHz～960 MHz调制输出。具有接收、发送、空闲、掉电等多种工作模式，以满足低功耗的应用要求，不同模式之间通过寄存器设置可自由切换。具有FSK、GFSK、OOK等多种无线传输调制方式，最大输出功率达到20 dBm，接收灵敏度为-121 dBm，点对点最大传输距离能到2 000 m。具有AFC自动频率控制功能，有效减小由于晶体精度、工作温度引起的频率误差。

图1 无线采集单元工作原理框图

2.2 电路原理

无线监测单元的硬件电路原理如图2所示，主要由电源、看门狗电路、无线射频匹配电路、传感器电路和SI1000单片机构成。

图2 无线监测单元硬件原理框图

其中，电源由锂电池和3.3 V LDO线性稳压源组成，锂电池输出3.6 V电压经过3.3 V LDO转换输出3.3 V电压，为整个无线采集单元电路供电。锂电池体积小、便于安装，重量轻，减轻了对输电线路的承重，而且容量大，可满足无线采集单元在输电线路上长期监测的用电要求。

看门狗电路的输入与输出均连接到SI1000单片机的外部引脚上，其输入作为SI1000给它的喂狗信号，输出作为SI1000的复位信号。SI1000必须间隔一定时间喂狗，否则超出给定间隔时间后，看门狗将会输出复位信号使SI1000复位。看门狗电路的主要作用是为了避免无线监测单元长期工作在无人值守的恶劣环境下意外出现死机现象，保证了单元长期运行的可靠性。

射频阻抗匹配电路为SI1000单片机内部射频模块的外围匹配电路，它与射频模块的收发信号相连接。匹配电路中的电阻、电容、电感参数与无线收发频率相关，需根据无线频率大小来匹配相应的参数值。

JTAG是SI1000单片机程序仿真下载接口。用户可通过该接口将应用程序代码下载到单片机的内部存储空间，并进行在线仿真调试。

传感器电路负责将架空输电线路的状态量转换为数字信号接入到SI1000单片机，例如本设计中的温度传感器，其将感知的导线温度转换为数字信号通过数字接口接入到SI1000单片机。

2.3 射频电路PCB板布线原则

无线监测单元的射频电路部分为高频电路，PCB板布线是否合理直接影响到整个无线监测单元的通信性能。在PCB板设计时，射频收发电路平行直线布置，不能出现折弯甚至是交叉；射频电路底层不能走信号线；低频电路部分与射频部分电路整体分开布置，数字地和模拟地之间使用磁珠隔离，并做到一点连接；射频电路的地线使用大面积敷铜，接地点使用过孔直接连接到敷铜地，尽量减少对地阻抗；使用多层板进行PCB板布线，SI1000芯片底面接地点使用大过孔直接与多层的敷铜地连接。

3 软件设计

无线监测单元软件主要实现的功能有两个：(1)通过传感器采集线路上的模拟量数据；(2)将采集得到的数据通过无线方式传送到主站。相对来说，数据采集部分的软件设计较为简单，下面重点介绍无线传输部分功能的软件实现。

3.1 无线通信规约

该通信规约使用三层IEC模型，分别为物理层、数据链路层及应用层，包结构如图3所示，其中前导序列、同步字为物理层，源地址、目的地址、报文长度、CRC校验为数据链路层，数据为应用层。

前导序列为一串10101010位序列，可看作整个无线通信帧的起始标志，8 bit为 1 B，字节长度设置范围为1～256。同步字为无线数据开始接收的时钟同步标志，长度可设置为1 B～4 B。

图3 无线通信IEC模型

在前导序列和同步字设定好之后，SI1000内部的序列检测器将按照设定的前导序列进行匹配，匹配成功之后紧跟着定时接收设定的同步字，在同步字接收成功后，开始源地址和目的地址的接收。

源地址由4 B寄存器组成，可作为无线监测单元的地址匹配接收，源地址的每一位可以与无线监测单元地址的每一位进行匹配，只有是本单元地址的数据才进行继续接收。

目的地址也由4 B寄存器组成，可用于存储无线监测单元将要发送的目的地址。无线通信帧发送时，硬件将其自动添加到该帧中并发送。

报文长度存储了发送的应用层数据长度,最大255 B。

CRC校验为曼彻斯特循环冗余校验码，包括了从地址、报文长度、数据等三层的数据校验。

3.2 无线传输机制

无线监测单元的射频传输采用了载波侦听/冲突检测随机避让机制(CSMA/CD)，使用该机制避免了无线通道在不同节点互用时的冲突。流程图如图4所示。

在使用该机制时，必须先使能SI1000发送控制寄存器中的LBTEN位。无线传输前，先监听0.5 ms，如果在这段时间无线通道是空闲的，通道空闲的检测由RSSI接收信号能量监测器来完成，当接收信号能量小于某一门槛值时，RSSI将指示无线通道处于空闲状态。然后继续监听4.5 ms，如果无线通道仍然空闲，则将数据帧发送出去。如果在4.5 ms期间，无线通道忙，则继续监听5 ms再加上一个随机时间，随机时间TPS=n×LPTI[6:0]，其中n为硬件自动产生的范围从 0～15随机数，LPTI是无线发送数据字节间隔时间寄存器。监听期间，如果无线通道空闲，则将数据帧发送出去，否则判断监听次数是否小于设定的最大监听次数，如果小于则重新开始监听，否则返回通道发送错误信息。

图4 无线监测单元射频收发机制

3.3 无线监测单元工作流程

无线监测单元的基本工作流程如图5所示。

在使用EZRadioPRO系列的射频模块前，首先需要初始化SI1000与其通信的SPI接口功能，使得SI1000处理器能对射频模块进行参数的配置和数据的读写，函数原型如下：

然后需要通过EZRadioPRO协议栈的EZMacPRO_Init()函数来初始化射频模块的基本参数和功能，函数原型如下：

图5 无线监测单元工作流程图

射频模块初始化完毕，SI1000进入睡眠状态，等待自报时间到时开始进行传感器的测量。数据测量完后，射频模块进入发送状态并执行发送功能函数将传感器采集得到的数据发送出去，执行发送功能函数时需要判断发送是否成功，如果失败，则重发，直到发送成功或者超出重试次数才退出发送，SI1000重新进入到睡眠状态。

在无遮挡的开阔地环境下进行测试，无线采集单元可靠通信距离达到1 000 m；无线监测单元平时工作电流仅为微安级，理论上使用1节电池便能维持其连续工作5年，考虑到电源的损耗及电池本身老化的因素，无线监测单元可在无市电的条件下可靠运行3年；使用SI1000实现的无线SoC片上系统，简化了外围电路设计，也减小了整个无线监测单元体积，增强了单元的可靠性和实用性。

无线监测单元为架空输电线路状态监测提供了一个全新的解决方案，随着智能电网的大力推广和发展，将得到更加广泛的应用。另外，本单元的适用性很广，在无人值守、没有市电、短距离长期监测的场合尤为适用。

[1]架空输电线路智能监测装置通用技术规范，2010.

[2]庄雄，杨永明，丁唯.基于 CC2431的无线传感器网络节点设计[J].电子技术应用,2008,34(6):98-101.

[3]单海东，卢东贵.基于Si1000无线微控制器的无线射频测[J].自动化系统工程，2010(8):120-122.

[4]SILICON LABS Si1000/1/2/3/4/5 datasheet[EB/OL].[2010].https://www.silabs.com/support/pages/contacttechnicalsupport.aspx.

[5]SILICON LABS EZMAC AND EZHOP USER’S GUIDE datasheet[EB/OL].[2010].https://www.silabs.com/support/pages/contacttechnicalsupport.aspx.