《电子技术应用》
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基于RuBee/ZigBee技术的变电站在线监测系统
2014年微型机与应用第20期
谢 岩,张国歌,高玉梅
鸡西电业局信息通信分公司,黑龙江 鸡西 158100
摘要: 为了有效解决变电站设备智能识别和实时在线监测等问题,设计了基于RuBee/ZigBee技术的变电站在线监测系统。系统以TMS320VC5509处理器为核心,包括RuBee读写模块、ZigBee无线传输模块、图像采集模块、温湿度采集模块等。系统可以将温湿度信息、图像信息、电压和电流信息等通过ZigBee无线传输网络传送到上位机管理系统。系统解决了在高压、高温、潮湿等环境下对变电站设备的实时在线监测问题,为用户提供了一种低成本、高性能的变电站在线监测方式,同时,对其他相关领域的在线监测也具有重要的参考价值。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 为了有效解决变电站设备智能识别和实时在线监测等问题,设计了基于RuBee/ZigBee技术的变电站在线监测系统。系统以TMS320VC5509处理器为核心,包括RuBee读写模块、ZigBee无线传输模块、图像采集模块、温湿度采集模块等。系统可以将温湿度信息、图像信息、电压和电流信息等通过ZigBee无线传输网络传送到上位机管理系统。系统解决了在高压、高温、潮湿等环境下对变电站设备的实时在线监测问题,为用户提供了一种低成本、高性能的变电站在线监测方式,同时,对其他相关领域的在线监测也具有重要的参考价值。

  关键词: RuBee;ZigBee;变电站设备

0 引言

  近几年来物联网技术在国内外取得了飞速的发展和广泛的应用。2010年6月末在上海召开的国际物联网大会指出,未来物联网将成为新兴的万亿元级别的全球信息通信产业。国家电网公司建设的我国第一座220 kV智能变电站于2011年1月在无锡市惠山区西泾变电站投入运行,整个系统利用物联网技术建立全站范围内的传感测控网络,实现了真正意义上的“无人值守和巡检”[1]。目前ZigBee技术发展相对成熟,行业已经制定了规范标准,例如工业监测控制领域,利用ZigBee设备组成的无线传感器网络自动地采集各种信息,并将所收集到的数据传送到上位机系统进行数据的分析和处理。

  随着物联网与智能变电站技术的不断深入,物联网技术结合ZigBee网络建立的传感测控网络,使变电站各自独立的在线监测系统通过统一的通信规约实现集成应用。通过ZigBee无线网络能够克服有线网络存在的诸多问题,通过物联网技术(RuBee技术)能够克服在高压、高温、潮湿等环境下对变电站设备的实时监测,此系统必将成为一种全新的智能变电站设计理念。

1 系统总体设计

  系统硬件部分主要由处理器、RuBee读写模块、ZigBee传输模块、温湿度采集模块、图像采集模块等构成,其系统框图如图1所示。

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  RuBee读写模块负责标识设备生产厂家、厂家联系电话、负责人等相关信息;温湿度采集模块负责采集实时温湿度信息;图像采集模块负责实时采集变电站场景信息;模拟量采集模块负责采集电压、电流信息;ZigBee网络负责把温湿度信息、变电站场景信息等传送到上位机管理系统(控制中心),其系统功能框图如图2所示。

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2 系统硬件设计

  2.1处理器选型

  系统要求CPU应该具有高速的数字信号处理能力,需要对接收到的大量温湿度信息、图像信息等进行实时数据处理,实现变电站在线监测。据此,系统采用TI公司的TMS320VC5509数字信号处理芯片[2-3]。该芯片是一款具有较高性价比的低功耗DSP芯片,采用了1.6 V核心电压以及3.3 V外围接口电压,最低可支持0.9 V的核心电压以0.05 mW/MIP的低功耗运行。

  2.2 RuBee模块设计


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  RuBee(IEEE Std 1902.1—2009)作为一种应用于物品识别的新型电子标识技术[4],具有双向、非接触、可以定制、点对点传输的特点。标准中规定了系统工作于小于450 kHz的长波波段,符合标准的设备具有低功耗、有效通信范围为0.5~30 m、工作数据速率为300~9 600 b/s等特点。RuBee模块工作原理如图3所示。RuBee标签内存有生产厂家、厂家联系电话、负责人等相关信息,在进入电磁场后,接收阅读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发出存储在芯片中的基本信息,阅读器获取数据并解码后送至处理器进行数据处理[5]。

  2.3 ZigBee模块设计

  ZigBee模块负责把温湿度信息、变电站场景信息等传送到上位机管理系统。本系统选用CC2530芯片作为ZigBee模块的核心,片内设有可编程闪存、8 KB RAM,具有业界高性能的RF收发器和具有代码预取功能、低功耗、标准的增强型8051内核[6]。其接线图如图4所示。

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  2.4 图像采集模块电路设计

  图像采集模块负责实时采集变电站场景信息。本系统采用图像传感器OV7670,它是一款体积小、工作电压低、成本低、功耗低的嵌入式单片CMOS图像传感器[7]。工作电压范围为2.45~3.0 V;体积小,封装尺寸为3.7 mm×4.2 mm。其接线图如图5所示。

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  2.5 温湿度采集模块电路设计

  温湿度采集模块负责实时采集温湿度信息。本系统选用的是瑞士Sensirion公司设计的温湿度传感器SHT11[8],其工作电压为2.4~5.5 V,测量精度高且稳定性非常强。其接线图如图6所示。

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  2.6 RS232串口电路设计

  RS232串口能够实现TMS320VC5509芯片与ZigBee模块之间的实时通信。本系统采用MAXIM公司生产的MAX3232转换芯片,它是一种标准的RS-232收发器,工作电压为3.0~5.5 V。其接线图如图7所示。

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3 系统软件设计


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  变电站在线监测系统程序流程图如图8所示。若系统准备就绪,开始建立网络连接,连接成功后,ZigBee网络开始传输温湿度等采集模块所采集的实时数据,传输完毕后,上位机管理系统对实时数据进行分析与处理,从而实现实时变电站在线监测。

4 结论

  针对变电站设备智能识别和实时在线监测等问题,提出了一种基于RuBee/ZigBee技术变电站在线监测设计方案,以TMS320VC5509芯片为核心完成了硬件系统设计,系统能够将所采集到的实时数据进行分析与处理,实现变电站实时在线监测。系统克服了在高压、高温、潮湿等环境下对变电站设备的实时在线监测问题,为用户提供了一种低成本、高性能的变电站在线监测方式。

参考文献

  [1] 林材安,林材映.物联网在食品加工环节的应用[J].微型机与应用,2013,32(15):102-104.

  [2] 李伟,林旭梅.基于DSP的交流电机伺服控制器设计[J].微型机与应用,2010,29(16):17-20.

  [3] 刘永春.基于DSP和ARM的车牌识别系统设计[J].微型机与应用,2012,31(22):80-82.

  [4] 熊春如.基于RuBee的智能数据采集终端的研究与设计[J].电气自动化,2008,30(5):54-56.

  [5] 单玉峰,姚磊.无线射频识别(RFID)系统技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

  [6] Chipcon semiconductor. Application note AN040 folded dipole antenna for CC2500, CC2520, CC2530 and CC2531.[EB/OL].[2012-12-29](2014-05-02).http://www.ti.com/lsds/ti/wireless_connectivity/overview.pape.

  [7] Altera Corporation.Quatus II Reference Hand book[EB/OL].[2012-12-30](2014-05-02).www. altera.com.cn/?rd=en.

  [8] 张艳丽,杨仁弟.数字温湿度传感器SHT11及其应用[J].工矿自动化,2007(3):113-114.