一种智能电网信息无线传输与控制平台的设计与实现

刘轶强



一种智能电网信息无线传输与控制平台的设计与实现

刘轶强

（海军驻湖南地区代表室，湖南湘潭 411101）

为实现智能电网参数的无线传输，本文利用蓝牙技术、NRF24L01高频频射收发技术结合Android系统设计了一种无线传输与控制平台。在系统采集端、中枢服务端分别采用PIC18F1320和PIC16F876为核心控制芯片，控制终端是基于Android系统的数据处理与存储软件。最后以电网环网柜中母线温升参数的采集与传输为例对本无线传输与控制平台进行调试，验证其可行性。

智能电网 无线传输 蓝牙技术 Android系统

0 引言

通信与信息技术是智能电网建设的核心领域之一，对智能电网不同结构与组件之间的联系、以及电网操作提供了可靠的枢纽平台[1]。目前在智能电网状态检测数据传输中仍以有线数据传输为主，其成本高，且极大程度的限制传输距离[2]。在智能电网中采用蓝牙和无线电通讯进行数据传输可以避免有线传输的诸多缺陷。如今智能手机的功能日渐强大，将其作为数据采集与控制终端已成为可能。智能电网的数据传输势必会向无线化发展，因此无线数据传输与控制平台的开发有广阔的发展前景。

1 无线传输技术简介

1.1 蓝牙技术

蓝牙技术是近年来发展迅速的短距离无线通信技术，可以用来替代数字设备间短距离的有线电缆连接。蓝牙技术具有很强的移植性，采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，适用于多种场合，其主要技术特点如图1所示。

蓝牙技术构建数据采集无线传输系统，与传统数据线或红外传输方式相比，在测控领域的主要优点如下：

1) 在强电磁干扰的数据采集现场，可有效地提高数据传输的安全性和抗干扰能力。

2) 无须铺设线缆，降低环境改造成本。

3) 可多方位进行测控数据的传输，实现多个测控仪器设备间的连网，便于进行集中监测与控制[3]。

图1 蓝牙技术主要技术特点分布图

1.2 NRF24L01无线收发芯片

NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置，实现一对六通讯。

1.3 Android系统应用形势

Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平台的开源移动操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成[4]。如今手机普遍为Android操作系统，这为本无线传输与控制平台的普及创造了有利条件。

2 系统概述

整个系统的工作流程如图2所示。

主要包括以下几个部分：

1）由终端对电网参数实时在线采集，然后将采集器采集的数据通过无线收发模块NRF24L01发送到服务器。

2）服务器对数据进行处理，并将数据传输到上位机和维护人员。

3）在维护人员所持Android系统手机中安装有监测软件，可对数据进行显示、分析、存储及判断工作状态。发生故障时，通过智能手机的通讯网络向上级进行电话或短信远程报警。

3 智能电网参数无线传输与控制平台的搭建

信息无线传输平台，从以下几个方面实现：基于单片机的蓝牙通讯技术，单片机控制的NRF24L01数据传输，Android系统蓝牙及数据存储等功能的开发。

3.1 基于单片机的蓝牙通讯技术

本系统采用串口通讯的方式在蓝牙设备和主控制器之间传输数据。通过对蓝牙协议的研究，采用蓝牙模块与主控制器（单片机）相连接的模式，向单片机写入AT指令，通过USART传输层控制蓝牙模块，从而达到自动连接以及自动收发数据功能[5, 6]。蓝牙系统硬件电路图如图3所示。

基于单片机的蓝牙通讯技术实现了以下技术指标：

1）自动完成处于蓝牙网络中的蓝牙设备连接。该模式针对事先配对好的两个不同地址，但硬件完全相同的蓝牙-单片机设备。。

2）搜索在通信范围内所有同型设备或者其他具备蓝牙功能的通信设备。搜索模式分为自动搜索和手动搜索。

3）可实现两种接收方式：一种是蓝牙设备与PC机等智能终端相连，由智能终端完成接收数据的工作；另一种模式是蓝牙设备无需连接任何终端或接收机，直接将接收到的数据保存在外设FLASH当中。

3.2 单片机控制的NRF24L01数据传输

NRF24L01为新型单片射频收发器件，集收发一体，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。该芯片干扰能力强，功耗低。在本平台的设计中，信息采集终端采用PIC18F1320为核心控制芯片，中间中转服务器采用PIC16F876为核心控制芯片。无线传输的软件流程图如图4、5所示。

图4 系统采集终端软件流程图

图5 系统中间服务器软件流程图

3.3 Android系统开发

Android系统蓝牙技术的具体开发流程如下：1）启动蓝牙功能；2）查找设备；3）查询匹配好的设备；4）扫描设备；5）使能被发现；6）服务端的连接；7）客户端的连接；8）管理连接。

基于Android系统开发出的采集与控制软件的主要功能如下：

1）通过手机蓝牙从中间服务器接收采集的数据，并实时显示；

2）处理采集的参数，计算并显示变化值，且可设定报警值；

3）有短信报警和电话报警两种报警方式，报警号码可任意设置；

4）采集的参数可以自动保存，保存时间间隔可设，保存文件为excel格式；

5）电话报警、短信报警及自动存盘的状态可设、可显示；

6）软件基于智能手机自带的相关传感器还开发了部分附加功能，能够检测环境中的三维磁场强度、重力加速度及光强等，对电网环境的监测提供辅助。

4 基于本无线传输与控制平台的实例

在智能电网继电保护及其它工业领域中有许多参数需要实时监测，如母线温升、电流、电压、真空度、环境湿度等。由于实验条件的限制，以环网柜中母线温升的测量为例来实现本无线传输与控制平台的调试。

温度采集端通过温度传感器DS18B20分别对电网中母线的工作温度进行采集，由单片机PIC18F1320将采集的温度数据通过无线收发芯片NRF24L01发送至中枢服务端。温度采集端的电路图如图6所示。中枢服务器接收数据，并采集环境温度，由单片机PIC16F876处理后将母线温升值输送到上位机及由蓝牙发送到智能手机中。中枢服务端的电路图如图7所示。

状态检测端是基于安卓手机操作系统开发的温度采集软件。本平台主要是对Android系统的蓝牙进行开发，实现状态检测端通过蓝牙接收数据、储存数据及数据分析等相关功能，并通过短信与电话实现远程报警。上述软件是为温度参数的显示开发的，针对不同信息的采集与显示，只需要对软件界面做适当修改即可。该软件适用于Android2.2及以上的操作系统版本。

图6 温度采集端电路原理图

图7 中枢服务端电路原理图

5 结论

本无线传输与控制平台，实现智能电网工作状态参数的无线传输，为电网安全、可靠、优质运行提供了重要支撑和保障。

通过理论研究和实验测试得到以下结论：

1）采用NRF24L01无线模块跳频技术实现电网参数的高频无线传输，传输速度快，抗干扰能力强。

2）单片机与智能手机之间通过蓝牙技术实现点对点双向通讯，保证了数据的加密性与稳定性。

3）采用JAVA语言完成对Android系统智能手机的开发，实现对电网参数信息的实时传输、存储、分析与远程报警。

[1] 贺春. 智能电网给中国电工行业带来机遇与挑战[J]. 电器工业, 2009(8): 24-28．

[2] 张征容. 智能电网浅述[J]. 云南电力技术, 2000(3): 28-32.

[3] 朱刚, 谈振辉, 周贤伟. 蓝牙技术原理与协议[M].北京交通出版社, 2002.

[4] 吴亚峰, 于复兴. Android应用开发完全自学手册[M].人民邮电出版社, 2013.

[5] 董自健. 用单片机实现HCI层的蓝牙数据传输[J]. 淮海工学院学报, 2003, 12(2): 25-27.

[6] 杨战社. 基于蓝牙技术的数据传输[D]. 西安科技大学, 2005.

Design and Implementation of Wireless Transmission and Control Platform for the Smart Grid Information

Liu Yiqiang

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TN92

A

1003-4862（2013）12-0042-04

2013-09-04

刘轶强（1974-），男，工程师。研究方向：电气工程。