基于ZigBee技術的低功耗電能參數無線監測系統

圖2：電能參數無線監測系統硬件原理框圖。

    1. 無線電能參數監視儀

    無線電能監視儀硬件主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S內核、內部嵌入128K字節高速Flash存儲器和16K字節靜態RAM的LPC2134嵌入式微處理器。外圍電路由LCD顯示模塊、數據存儲電路、報警輸出電路、按鍵接口電路、ZigBee無線通信模塊、RS485通信接口電路和RTC實時時鐘電路等組成。LCD顯示模塊作為人機交互接口顯示電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因數和溫度等參數測量值及棒狀圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖和報警記錄等；數據存儲電路采用上海貝嶺的EEPROM存儲器BL24C256和Intersil公司內部集成看門狗電路的存儲器X5043.其中BL24C256用來存儲系統狀態信息、電壓、電流、溫度等參數歷史數據及越限報警記錄等，X5043存儲器功能是給主CPU作看門狗復位電路及保存系統組態參數；報警輸出電路在測量值超過報警限值時，輸出無源開關量觸點給聲、光報警顯示屏或作為開關量信號傳給計算機監控系統，使維護人員及時排除故障，避免事故的發生；按鍵接口電路功能是配合人機交互接口LCD顯示模塊，便于用戶現場調試、修改系統組態參數及切換測量數據顯示畫面；ZigBee無線通信模塊集成了ZigBee無線收發器和一個單指令內嵌Flash空間的51CPU核，同時還有GPIO,功能為接收無線電能參數及溫度測量模塊發送過來的測量數據，然后把數據送給主CPU進行處理；RS485通信接口電路功能是把測量的數據傳送到計算機工作站監控系統，通信接口電路可根據用戶需要配置成CAN或以太網接口；RTC時鐘電路采用上海貝嶺的BL5373芯片，給整個系統提供實時時鐘信號。

    2. 無線電能參數及溫度測量模塊

    無線電能參數及溫度測量模塊主MCU 采用超低功耗的1 6 位MSP430系列的微控制器。外圍電路由ZigBee無線通信模塊、電量傳感器電路、溫度傳感器電路和電源電路及鋰電池電路等組成。ZigBee無線通信模塊功能為把測量的電能參數及溫度數據無線傳輸給監視儀；電量傳感器電路主芯片采用上海貝嶺的低功耗三相多功能電能測量芯片BL6519,此芯片能夠測量分相和合相有功功率及分相電流、電壓有效值、功率因子、線頻率等參數，具有失壓與過壓監測功能以及電流電壓峰值檢測功能，用它來測量三相變壓器負載電流、電壓和功率等參數；溫度傳感器電路功能為測量變壓器油溫；電源電路功能為通過PT電壓互感器在線取電，給整個模塊供電，從而省去外部專門供電電源；另外鋰電池電路功能是在模塊失去外部供電時，暫時給系統供電及給BL5373實時時鐘電路供電。

    二、系統工作原理

    電能參數無線監測系統中最關鍵的技術難點為無線電能參數及溫度測量模塊低功耗技術實現。一般ZigBee無線通信模塊睡眠模式下工作電流小于1μA,MSP430系列MCU在超低功耗工作模式下工作電流也小于1μA,溫度傳感器電路低功耗模式工作電流約為2μA,電能參數測量電路BL6519工作電流約為6.8mA,再加上系統外圍電路的功耗，整個無線電能參數及溫度測量模塊在低功耗模式下平均電流約為6.81mA,因而可以用PT電壓互感器在線取電技術實現模塊供電。在變壓器設備斷電情況下，只要關斷BL6519芯片的供電，整個模塊工作電流就降到10μA左右，這樣模塊就切換到3.6V（1,200mAh）的鋰電池供電模式。

    無線電能參數及溫度測量模塊正常供電下的工作過程為：1. 用BL6519電能測量芯片測量變壓器負載電流、電壓和功率等參數；2. 用溫度傳感器測量變壓器的油溫；3.

    喚醒ZigBee無線通信模塊，發送測量數據給監測儀，接著通信模塊進入睡眠模式。如此循環工作。

    無線電能參數監視儀的工作過程為接收到無線電能參數及溫度測量模塊發送的數據后，對數據進行分析處理，通過LCD顯示器以不同畫面顯示電壓、電流、功率和溫度等測量值，包括成組顯示圖、棒狀圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖和報警記錄等。通過RS485通信接口或CAN、以太網通信接口把數據送到計算機監控工作站，對數據作進一步的分析處理。

    無線電能參數及溫度測量模塊為了安裝方便，一般ZigBee模塊發射天線采用內部PCB板載天線。無線電能參數監視儀一般外接5dbi天線，通信視距可達500米。