基于ZigBee技术的电台电能监测系统

方志松

摘 要：随着现代社会的飞速发展，电台中各类用电设备在快速增加，如何规范高效的使用这些用电设备，而又最大限度地节约能源是节约型电台建设的一个主要内容。对电台中各类用电设备用电情况进行实时监测是科学有效管理的基础，文章根据电台实际出发，结合现代通信技术，设计了一种基于ZigBee技术的电能监测系统。通过对系统进行试运行，其结果显示该系统能够方便、准确的对电台中各个监测点进行实时远程电能质量监测，为节约用电管理成本，提高电台能源管理水平提供了较好的支持。

关键词：ZigBee；电能质量监测；无线传感网络

1 ZigBee技术

ZigBee無线组网通信技术是近几年迅速发展起来的一种低功耗近距离通信技术。相对于其它无线通信技术来说，其具有应用灵活、蓄电时间长、自组网能力强、成本低以及可靠性高等特点[1]。ZigBee无线通信网络中的节点根据通信能力的差异可以分为全功能设备节点（FFD）以及精简功能设备节点（RFD）。其中FFD节点具备ZigBee协议中的全部功能，同时具备一定的计算能力以及较大的存储容量，可以在无线通信网络中实现协调器和路由器功能，并可以当作终端节点进行工作；而RFD节点只具备ZigBee协议中所描述的部分功能，其只能当作终端节点工作，复杂度和成本相对较低。全功能设备节点FFD设备之间以及全功能设备节点FFD设备与精简功能设备节点RFD之间都可以进行直接通信，但是精简功能设备节点RFD之间无法直接进行通信，它必须与FFD设备节点直接进行通信，或者通过FFD设备节点进行数据转发来实现通信。

2 ZigBee无线传感器网络节点设计

目前市面上的ZigBee芯片种类较多[2]，常见的包括TI/Chipcon公司的CC2430、Ember公司的EM2420以及Freeseale公司的MC13192等。各类芯片均有自己的优点并且具有独立的解决方案。其中TI/Chipcon公司的CC2430芯片是目前最为常用的一款ZigBee芯片，同时也是一款真正意义上的嵌入式ZigBee应用的片上系统。因此，文章选择CC2430 SOC芯片及其外围电路搭建无线通信模块。

2.1 传感器节点设计

图1所示为传感器节点的硬件设计原理框图，系统通过模块化的方式进行设计，主要功能模块如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片选择C8051F020单片机；（2）无线通信模块：选择CC2430 SOC芯片及其外围电路构建无线通信模块；（3）电能计量模块：利用ATT7022功率芯片及其外围电路构建电能计量模块；（4）对时模块：采用1302时钟模块；（5）人机交互模块：包括键盘、显示等多个模块；（6）开关控制模块：主要包括继电器控制模块，比如开合闸控制等；（7）安全报警信息采集模块：主要对变压器电力运行状态信息进行采集；（8）数据存储模块：利用铁电存储器24C512对采集模块所收集的数据进行存储。

图1 传感器硬件设计框架

2.2 路由器节点设计

图2 ZigBee路由器节点硬件设计框架

如图2所示，给出了ZigBee路由器节点的硬件设计框架，路由器节点的功能模块具体如下：（1）无线通信模块+MCU控制模块：选择CC2430 SOC芯片及其外围电路构建无线通信模块：（2）数据存储模块：采用铁电存储器24C512对所采集的信息数据进行存储。

2.3 协调器节点设计

图3 协调器节点硬件设计框架

如图3所示为协调器节点硬件设计框架，其主要功能模块描述如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片选择C8051F020单片机；（2）无线通信模块：选择CC2430 SOC芯片及其外围电路构建无线通信模块；（3）对时模块：采用1302时钟模块；（4）数据存储模块：采用铁电存储器24C512对所采集的信息数据进行存储；（5）以太网通信模块：选择以太网控制芯片RTL8019AS及其外围电路构建以太网通信电路。

3 系统的运行监测

系统的各个监测节点以每个工频周期采样256个点的采样周期，对监测点的电力数据进行不间断采集。通过传感器对电网中的三相电压、电流信号进行收集，同时利用CC2430自带的A/D转换器将采集的数据转变为数字化信息，将ZigBee协议栈以及监测节点的应用程序存储在铁电存储器24C512中。监测节点采用接触式测量方式对被监测点的电力数据进行测量，监测点选择用电设备附近布置。监测点的电源模块主要采用电磁感应原理，通过在用电设备电源进线端套接取能线圈的方式，将导线的电磁能量转换到二次侧取电能，同时通过整流滤波等方式实现隔离式供电，避免对监测点的传感数据产生影响。路由节点仅需要实现数据的无线发射与接收，相对与监测节点来说，硬件上不涉及模拟量的转换，供电方式可以采用电池供电。

系统的监控中心分为本地监控中心和远程监控中心两个部分[3]，其中本地监控中心接收ZigBee组网中所有监测节点的数据，通过小波变换和支持向量机，对监测节点的电能质量变化情况进行识别，同时将各监测节点收集的数据存储起来，实现远程监控中心对各个监测节点电能质量的监测。远程监控中心通过以太网通信模块，接收ZigBee组网中所有监测节点的数据，通过系统的硬件接口与PC端进行连接，并借助于上位机软件将所有监测节点的电能质量状态在显示屏中显示出来，从而使监控中心工作人员能够对各个区域的电能质量进行实时监控，有效提高了控制中心的分析、决策能力，提升管理的智能化水平，并为电力的合理分配以及电力系统的可靠安全运行提供实时依据。

4 结束语

为了满足电台电能监测的要求，文章提出了一种基于ZigBee技术的电能质量监测系统。ZigBee无线网络模块性能稳定、高效，同时具有完善的软件功能，能够为电能质量监测系统的实现提供很好的技术支持。从对节点的测试情况来看，系统能够很好的实现对各个节点电能质量的监测，这对类似单位的电能管理工作提供了很好的解决方案。

参考文献

[1]王玲，康健，邹宏亮，等.实时电能质量监测系统的构建及应用[J].电力系统保护与控制，2011（2）：108-111.

[2]余晓鹏，李琼林，杜习周，等.基于IEC 61850的电能质量监测终端数据分析及模型实现[J].电力系统自动化，2011（4）：56-60.

[3]李小博，黄新波，陈绍英，等.基于ZigBee网络的智能变电站设备温度综合监测系统[J].高压电器，2011（8）：18-21+32.