基于GPRS和ZigBee网络的地铁变电站防误闭锁系统设计

2018-05-02 08:00赖声钢
城市轨道交通研究 2018年4期
关键词:锁具网关路由

赖声钢

(广州地铁集团有限公司运营事业总部,510380,广州∥工程师)

地铁供电系统的安全运营离不开高质量的检修作业,而检修过程中的人为误操作是导致电力事故的主要原因。目前,地铁变电站普遍采用微机防误操作系统来避免变电站在运行、检修、维护过程中由于人为误操作所导致的电力事故[1]。传统微机防误操作系统存在离线操作和走空程等问题,电脑钥匙在接收到操作票后只能严格按照既定的顺序操作,若操作过程中相关设备状态发生变化而电脑钥匙无法获知时,就会给操作带来很大的安全隐患,无法从根本上做到防止误操作[2]。针对传统微机防误闭锁系统存在的问题,本文设计了一种基于GPRS与Zig-Bee网络的在线式防误闭锁方案,利用无线通信技术实现防误系统实时在线工作。在线式微机防误闭锁系统可以充分发挥GPRS网络传输距离远、传输速率快的优点和ZigBee技术自动组网、时延短、容量大的优势,系统无需布线、结构简单,且永久在线[3],具有较好的实时性。

1 系统方案设计

本文所设计的在线式微机防误闭锁系统采用GPRS网络来实现信息远距离无线传输,采用Zig-Bee无线传感网络进行节点组网设计,从而实现系统实时在线工作。ZigBee是一种基于IEEEE 802.15.4标准、近距离、低传输速率、低功耗、低成本且数据可靠性高的双向无线通信技术[4],支持星(Star)形、树(Tree)形和网状(Mesh)3种拓扑结构。由于地铁变电站内设备杂多、环境复杂,电磁干扰、障碍物等因素会影响ZigBee网络通信距离和通信质量,故本方案采用树(Tree)形拓扑结构,通过路由节点的转发功能,实现终端设备与协调器的远距离通信。

本系统由站控层、间隔层和过程层3部分组成(见图1),包括防误主机、操作票专家系统、网关协调器、路由节点、终端节点、智能锁具等部分。进行倒闸操作时,操作人员首先在防误主机上通过操作票专家系统软件对将要进行的操作进行模拟预演,操作过程经模拟预演无误后生成操作票,操作人员严格按照操作票的操作流程通过无线网络对智能锁具进行控制,然后才能执行相应倒闸操作。终端节点通过智能锁具采集现场一次设备状态,并将采集到的设备信息通过ZigBee网络传输到路由节点。终端节点同时负责接收路由节点下发的命令,来控制智能锁具的打开或闭合。路由节点通过功率放大和多级跳变的方式将信息传输到网关协调器,同时路由节点也负责将网关协调器下发的命令转发到终端节点。网关协调器主要负责数据的汇总与处理,实现ZigBee网络与GPRS网络的协议转换,并通过GPRS网络实现与防误主机进行远程无线通信。

图1 系统总体结构框图

2 网络节点硬件设计

2.1 终端节点硬件设计

终端节点采用ZigBee通信模块与路由节点及智能锁具通信,通过ZigBee网络与路由节点进行近距离无线通信,通过USART接口与智能锁具进行有线通信,硬件结构如图2所示。智能锁具用于锁定现场一次设备,授权通过后才能打开锁具操作现场一次设备。终端节点用于实时采集智能锁具闭锁的断路器、隔离开关、接地刀闸、网门、地线等地铁变电站现场一次设备的状态信息[5],通过ZigBee网络将一次设备状态信息发送到路由节点,并接收路由节点转发的控制命令,通过智能锁具实现对现场一次设备的解/闭锁控制。

图2 终端节点硬件结构

ZigBee通信模块选用TI公司推出的CC2530芯片进行设计,该芯片内部有1个2.4 GHz的高性能DSSS射频收发器核心和1个工业级8051控制器,内部固化ZigBee协议栈,通过USART串口即可与智能锁具进行通信。CC2530芯片内部具有发送/接收(T/R)开关电路,天线的接口及匹配很容易实现。本方案采用偶极天线,不需要使用不平衡变压器就可以方便地与系统连接。λ/2偶极天线长度可由下式给定:

式中:

f——频率,MHz;

l——天线长度,cm。

2.2 路由节点设计

受限于ZigBee网络通信距离、应用环境的信号干扰及终端节点数量较多等因素,网关协调器无法与站内所有的终端节点进行直接通信,必须通过路由节点来转发。理论上可以采用足够多的路由节点通过多跳传输的方式实现终端节点与网关协调器的通信,但在实际应用中由于网路规模较大,会造成成本增加和硬件资源的浪费。本设计通过增大发射功率的方式来增大ZigBee网络的通信距离。图3为路由节点的电路图。

由图3可知,在设计路由节点时仍选择CC2530芯片作为核心,采用CC2591芯片增大ZigBee网络的发射功率,这样可以在一定程度上增加ZigBee网络通信距离,减小网络规模,降低系统成本。在设计路由节点时采用CC2591射频(RF)功率放大模块可以将ZigBee收发器的输出功率提高约+22 dB·m,接收灵敏度提高约+6 dB[6],还可以简化射频电路的设计。路由节点以CC2530为核心,采用射频(RF)功率放大模块CC2591作为信号放大器件,再加上ZigBee网络的传输接力特性,就可以以较小的规模将整个ZigBee网络覆盖至整个地铁变电站。

2.3 网关协调器硬件设计

网关协调器是整个系统通信网络的枢纽和核心,主要负责GPRS网络和ZigBee网络间的协议转换,向上通过GPRS网络与防误主机远距离通信,向下通过ZigBee网络与路由节点通信。网关协调器由微处理器、GPRS通信模块、ZigBee通信模块、存储模块、电源模块等组成,硬件结构如图4所示。

图3 路由节点硬件电路

图4 网关协调器硬件结构

ZigBee通信模块仍然选用CC2530芯片设计,负责创建ZigBee网络、允许路由节点加入网络及维护整个ZigBee网络,具有管理ZigBee网络的功能。GPRS通信模块主要用于与防误主机进行远距离通信。GPRS网络具有传输速率快、数据纠错能力强及覆盖范围广的优势,可以充分保证防误闭锁系统的实时性与可靠性。GPRS通信模块选用SIEMENS公司推出的MC55芯片,芯片内嵌TCP/IP协议栈,具有标准RS232接口,通过AT指令操作就可以实现GPRS与防误主机建立基于TCP/IP的网络连接。微处理器主要负责数据的汇总与处理及通信协议的转换,对芯片数据处理能力、运算能力及存储空间要求比较高,本设计选用S3C2440A芯片作为网关协调器主控单元。该芯片主频处理速度可高达533 MHz,具有4通道DMA控制器和3通道的UART接口,可以方便地与GPRS芯片和ZigBee芯片通信。

3 网络节点软件设计

3.1 终端节点软件设计

终端节点程序流程图如图5所示。其主要任务是加入ZigBee网络、采集并发送数据及接收路由节点转发的命令。节点上电后首先进行硬件初始化以及协议栈初始化,对寄存器、工作模式、参数等完成设置后向路由节点申请加入网络,路由节点根据加入网络的先后顺序将地址块中的16位短地址分配给终端节点,这样终端节点便加入到ZigBee网络。ZigBee网络节点借助周期性监听无线通道来确定是否有报文等待处理,在完成上传终端节点数据和接收路由节点转发的数据后,终端节点大部分处于休眠状态,2节5号干电池即可工作6个月到2年。

图5 终端节点程序流程图

3.2 网关协调器软件设计

网关协调器主要用于实现各种数据和命令的上传与下发、ZigBee网络的建立及路由节点的加入、数据处理与协议转换。系统采用MSSTATE_LRWPAN协议栈来组建ZigBee无线网络。ZigBee网络协调器上电后进行协议栈和外部设备初始化,通过调用aplFormNetwork()函数来建立网络。ZigBee路由器上电后扫描信道,向网络协调器发送入网申请后,通过aplJoinNetwork()函数加入网络,协调器接收到申请后分配给路由器一个包含若干16位短地址的地址块,这样ZigBee路由节点便加入到ZigBee网络中[7]。网关协调器通过GPRS网络接收防误主机下发的命令与数据,经过微处理器模块进行数据处理与协议转换后,通过ZigBee网络经路由节点下发至终端节点。另一方面,网关协调器通过ZigBee网络接收到路由节点转发的数据,经过微处理器模块的数据处理与协议转换后,通过GPRS网络将数据上传至防误主机。流程图如图6所示。

图6 网关协调器程序流程图

4 试验结果

为了检验ZigBee网络在地铁变电站内的通信质量,进而确定网络节点的可靠通信距离,有必要在变电站内进行点对点信号传输质量检测试验。Zig-Bee网络中,链路质量(QLQI)计量的是所收到包的强度和质量,而信号接收强度(SRSSI)通常被作为链路质量的评定指标[8]。SRSSI值的大小可以反映数据传输的可靠性,SRSSI值与QLQI值之间的关系满足:

本次试验选择在杭州地铁1号线主变电所内进行,采用2个ZigBee节点进行点对点通信,其中一个节点用CC2530模块作为终端节点,另一个用CC2530+CC2591模块作为路由节点。节点均采用3.3 V直流供电,发送功率为0 SRSSI。发送节点每次发送200个数据包,接收节点每次接收到数据包都会统计信号质量,通过读取SRSSI值的个数就可以间接得到收包数[9]。表1为2个节点间隔不同距离下SRSSI与QLQI的值。分析表1可知,当2个节点通信距离大于130 m时QLQI小于50,丢包率较大。因此,为保证ZigBee网络在地铁变电站内的通信质量,终端节点与路由节点的通信距离应小于130 m。

表1 点对点通信SRSSI与QLQI值

5 结语

本文以CC2530和CC2591芯片为核心,完成了ZigBee现场参数无线检测网络的搭建,并基于MC55芯片实现了信息通过GPRS网络实现远距离传输的功能,实现了地铁变电站现场一次设备的实时数据采集和远程检测与控制,有效地解决了传统微机防误闭锁系统离线操作、走空程及操作繁琐等问题,从根本上做到防止电气误操作。通过实地测试,对ZigBee网络在地铁变电站内的传输质量和传输距离进行了评价,测试结果对ZigBee节点在地铁变电内的布置给出了小于130 m的参考距离。该在线式微机防误操作系统具有结构简单、永久在线、功耗较低的优势,可以极大地提高地铁变电站防误闭锁装置的可靠性和实时性。

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