基于ZigBee無線高壓直流智能微安表系統設計

尹柏睿，張曉慧

（沈陽工程學院 a.研究生部；b.電力學院，遼寧 沈陽 110136）

近年來，通信技術、微電子技術的快速發展，催生出了大量的新技術與發明應用，其中依靠短程通信技術搭建的無線網絡，使得無線抄表技術在電力領域有了飛速的發展。低成本、低功率的ZigBee無線抄表系統應用到了居民電能抄表過程中，改變了傳統的人工抄表模式，使得抄表更加準確、高效。無線傳感器網絡應用于水產養殖，對水質進行監測，解決了傳統檢測方法勞動強度大、數據時效性差、檢測成本高等問題。針對目前高壓直流試驗使用的有線直流微安表測量環境不安全、安裝調試復雜、后期數據維護不方便等問題，本文將ZigBee技術與微電子技術結合，設計了一套近距離無線抄表系統。該系統具有測量精度高、使用安全、成本低、操作簡單等特點，解決了現場操作中存在的安全隱患、線路繁雜等問題。

1 短程通信技術簡介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。該技術具有傳輸距離短、復雜度低、功耗低、成本低等優點，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。ZigBee協議從下到上分為應用層（APL）、網絡層（NWK）、傳輸層（TL）、媒體訪問控制層（MAC）、物理層（PHY）等，其中MAC和PHY遵循IEEE 802.15.4標準的規定。ZigBee技術是一種介于無線標記技術和藍牙技術的方案，依據IEEE 802.15.4標準，可實現通信于數千個微小傳感器之間。這種傳輸只需很小的能量，即可將無線電波數據從一個節點傳輸到另一個節點，通信效率高。ZigBee作為一種短距離無線通信技術，相較于藍牙技術，其具有大規模組網能力（每個網絡有65 000個節點，藍牙僅為8個），網絡加入及重載速度快（1 s以內，藍牙需3 s），故在物聯網領域具有較好的應用前景。ZigBee技術的缺點在于：

1）傳輸速率低，在2.4 GHz頻段僅為250 kb/s；

2）ZigBee通過PHY及MAC層保證其可靠性，由于ZigBee不支持時分復用的信道接入方式且隨機接入MAC層，故不支持實時業務；

3）由于ZigBee節點傳輸速率低，在無通信需求時節點可進入休眠狀態。

ZigBee技術的優點在于：

1）功耗極低，休眠模式僅為正常狀況的千分之一，而其休眠時間占據大部分時間，故ZigBee具有超長續航能力；

2）ZigBee擁有大規模的組網能力，每個網絡包含65 000個節點，可布置大范圍網絡傳輸及多播、廣播等。

當前，ZigBee共同標準為國際ZigBee與2012年4月推出的ZigBee Light Link（ZLL）。該標準由全球主要設備制造商共同開發，這不僅僅是對一種先進燈控應用傳遞協議做出定義，更是將一種簡便的配置方式納入其中，真正使消費者可以做到開箱即用。另外，ZLL還具有ZigBee所具有的固有優勢，可實現基于IEEE 802.15.4的低功率、低成本、大規模、安全的無線傳輸網。

2 智能微安表電路組成及基本原理

2.1 系統方案設計

無線高壓直流微安表系統共有3個部分組成，分別為測量終端、手持操作機、上位機（PC機數據讀?。?。高壓直流試驗測量系統如圖1所示。

上位機部分為基于PC端的軟件，通過USB通信接口實現PC機對手持設備的現場試驗數據的采集，為試驗設備的安全狀態建立數據檔案，將每一次高壓試驗采集到的不同設備試驗數據通過PC端的分類、整理可以實現整個系統相關絕緣器件狀態的數據管理，再經過一定的軟件分析可以篩選、評估出即將產生絕緣缺陷的器件，實現現場檢修的主動選擇性，使有限的資源得到最大的利用，使系統的經濟效益最大化。

圖1 無線高壓直流測量系統

測量終端部分即為現場測量電流表，它是整個系統測量的基礎，為手持設備與PC上位機提供試驗測量數據。為滿足現場測量的高電壓安全要求，設計了多種保護措施來保證測量表計與測量人員的安全，包括繼電器保護、光電隔離控制、高壓放電管、扼流線圈、穩壓二極管等。整個系統的工作是通過測量終端對高壓試驗測量數據進行采集，通過ZigBee無線通信模塊將測量終端上的數據傳送給手持機，在手持機上通過ZigBee無線通信模塊發出測量與保護指令，實現對測量終端的數據讀取或保護的控制。測試工作結束后可以通過USB接口將手持機中存儲單元上保存的數據上傳到上位機PC端，從而實現對離線數據的分析，為檢修計劃提供依據。

手持操作機由電源模塊、ZigBee通信模塊、PIC18F單片機、LCD顯示屏、矩陣式鍵盤、存儲單元6個部分組成。

2.2 主要硬件電路設計

硬件設計分為兩個部分：一是測量終端設計；二是手持操作機設計。兩個模塊包含相同的無線ZigBee通信模塊和同一系列的PIC18F單片機。除此之外，其他各部分模塊分別為測量終端電源模塊、測量終端信號采集模塊、手持機部分電源模塊、128*64LCD顯示屏、M25P儲存器、矩陣式鍵盤。

2.2.1 電源模塊

測量終端與手持機都采用2節3.17 V具有高能量密度的聚合物鋰離子電池。測量終端使用PS3120升壓芯片為程控運算放大器、ZigBee通信模塊、PIC模塊提供3.3 V穩定輸出電壓。終端電源狀態顯示設計電路如圖2所示。手持機使用XC6206穩壓芯片為PIC單片機、無線通信模塊、顯示屏、矩陣式鍵盤等提供3.3 V工作電壓。電池設有剩余電量顯示設計，電量充足時，綠色LED指示燈亮起；電量不足時熄滅。手持機電量狀態顯示設計電路如圖3所示。

圖2 測量終端電量狀態顯示設計電路

圖3 手持機電量狀態顯示設計電路

2.2.2 單片機最小系統

系統采用PIC18F系列單片機，該產品在設計上采用面向工程、面向應用的設計理念，品種豐富，功能齊全。測量終端使用的單片機型號為PIC18F25k80，共有28個引腳，在系統中主要使用12位八通道的ADC口，實現測量數據的模數轉換，使用IO接口實現對Zigbee模塊的通信控制。測量終端單片機最小系統電路如圖4所示。手持機采用的單片機型號為PIC18F4520，共有44個引腳，具有13路輸入通道的10位模數轉化模塊，最多可使用5個端口的IO接口，主要增加了一些鍵盤、顯示屏和寄存器等外設，在系統中主要應用IO口控制鍵盤、顯示屏輸出、儲存芯片與ZigBee通信模塊。手持機最小系統電路如圖5所示。

圖4 測量終端單片機最小系統電路

圖5 手持機最小單片機系統

2.2.3 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊是手持機與測量終端之間的橋梁。測量終端與手持機設有相同的ZigBee通信模塊，采用2.4 GHz免授權頻段，通信傳輸距離最大可達2 000 m。ZigBee無線模塊的功能是實現高壓直流試驗電流數據的無線測量。

2.3 基準電壓電路仿真測試

建立測量終端的數據采集模塊，仿真電路如圖6所示。由于DSP芯片ADC采集信號極性的限制，需要將交流信號進行電壓拉升，保證輸入信號在負半周，經過ADC模塊時極性為正。在電流采集電路中，疊加一個2 V的直流偏置電壓，使輸出交流信號處在0～3 V之間，以滿足ADC模塊的采樣范圍要求。

圖6 測量終端采樣仿真電路

在高壓直流試驗中，通過試品的電流正常值一般在幾百到幾千微安，設置仿真輸入信號為25 mA，輸入信號為帶有負半周的交流信號。輸入信號電壓波形如圖7所示。

圖7 輸入信號電壓波形

由于DSP芯片ADC僅能識別正信號，而輸入的電流信號為交流信號，在經過負半周期時，數值為負。這就需要一定的處理，才能保證數據的完整性。本文設計一個+2 V的標準電壓疊加在放大器的輸入端，使交流信號處在0～2 V區間，以滿足ADC采樣模塊的采樣要求。校準后的基準電壓偏移實驗波形如圖8所示。

圖8 疊加基準電壓后電壓波形

3 測量終端軟件設計

在進行高壓直流試驗中，由于流過試品的電流十分微小，一般不超過2 mA，這就對數據處理的靈敏度要求比較高。為此本文采用AD8231數字編程可調放大器，通過設置3個IO口可將其增益放大1、2、4、8、16、32、64、128倍，AD8231增益設置真值表如表1所示，CS為放大器片選信號，A0～A2為配置AD8231的放大倍數。

表1 AD8231增益設置真值表

本文設計提供3個量程選擇，如表2所示。

表2 手持機測量量程表

手持機測量量程的流程如圖9所示。

圖9 測量量程流程

根據現場測量實際情況，在接入的電流超出所選擇的量程情況下，系統將能識別出電流越限，并通過無線傳輸發送給手持機，給出錯誤代碼，指示測量人員選擇正確模式。

4 結 語

與有線式的高壓直流微安表相比，無線高壓直流微安表不僅測量精度滿足要求，而且大大地提高了測量過程的安全性，避免了與現場高壓設備的直接接觸，該設計還可以擴展到其他高壓設備的數值讀取上，以此降低運行人員發生觸電事故的風險。