基于ZigBee技术的低功耗电能参数无线监测系统

随着我国经济不断发展， 工业和民用用电需求不断增加，因此更好地实现国家智能电网安全、稳定运行的控制目标显得特别重要。

为了保证电力设备的安全运行，近年来变压器设备在线故障诊断逐渐受到电力企业的普遍重视，但变压器电流、电压、功率负荷、油温和铁芯入地电流等参数的测量，以及传感器的安装、供电、网络通信连接布线仍是个难题。于是，寻求一种没有复杂的引线、绝缘性能好、低功耗、可在线供电或电池供电、能够就近安装及实时监测电能参数和温度的传感器成为首要考虑的问题。低功耗电能参数测量芯片和无线网络ZigBee技术的出现，使得在线供电或电池供电的电能参数无线监测系统成为可能。下面将介绍一种基于无线通信ZigBee技术的电能参数及温度监测系统。

ZigBee是一种用于控制和监视的短距离、低速率、低功耗、成本低廉、高可靠无线网络技术，它基于IEEE802.15.4国际标准，上层协议为ZigBee协议栈。其网络路由功能强大，组网灵活，自恢复及冗余性能优异，能简单地覆盖广阔范围，每个ZigBee网络最多可支持65,535台设备，也就是说，每台ZigBee设备可以与另外65,534台设备相连接。近年来ZigBee技术在智能家居、照明控制、建筑自动化、工业自动化、自动抄表和医疗等方面逐渐展开应用，是目前嵌入式应用的一大热点。它的许多特点和优势也使之具有广阔的应用领域和市场前景。

本文介绍的基于ZigBee技术的电能参数无线监测系统主要应用于变电站、发电厂的电力变压器等高压设备的电能参数及温度实时监测。这种无线监测系统可以帮助用户及时发现设备隐患的存在，从而避免事故的发生；减少运行人员现场巡检的工作量；提高设备使用寿命，降低企业的总体成本。

一、系统硬件设计

图1为电能参数无线监测系统。

该系统采用三层结构，即由无线电能参数及温度采集模块、ZigBee接收节点和计算机工作站三部分组成。无线电能参数及温度采集模块完成被测对象的电能参数及温度测量，然后通过ZigBee无线通信接口把数据传给ZigBee接收节点，ZigBee接收节点把接收到的数据经过简单处理后通过RS485、CAN和以太网等总线将数据传输到计算机工作站作一进步处理。

电能参数无线监测系统硬件设计主要由无线电能参数及温度测量模块（传感器）和无线电能参数监视仪（ZigBee接收节点）两部分组成。图2为电能参数无线监测系统硬件原理框图，左边部分为无线电能参数监视仪硬件原理框图，右边则为无线电能参数及温度测量模块。

图2：电能参数无线监测系统硬件原理框图。

1. 无线电能参数监视仪

无线电能监视仪硬件主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S内核、内部嵌入128K字节高速Flash存储器和16K字节静态RAM的LPC2134嵌入式微处理器。外围电路由LCD显示模块、数据存储电路、报警输出电路、按键接口电路、ZigBee无线通信模块、RS485通信接口电路和RTC实时时钟电路等组成。LCD显示模块作为人机交互接口显示电压有效值、电流有效值、频率、功率、功率因数和温度等参数测量值及棒状图、实时趋势图、历史趋势图和报警记录等；数据存储电路采用上海贝岭的EEPROM存储器BL24C256和Intersil公司内部集成看门狗电路的存储器X5043.其中BL24C256用来存储系统状态信息、电压、电流、温度等参数历史数据及越限报警记录等，X5043存储器功能是给主CPU作看门狗复位电路及保存系统组态参数；报警输出电路在测量值超过报警限值时，输出无源开关量触点给声、光报警显示屏或作为开关量信号传给计算机监控系统，使维护人员及时排除故障，避免事故的发生；按键接口电路功能是配合人机交互接口LCD显示模块，便于用户现场调试、修改系统组态参数及切换测量数据显示画面；ZigBee无线通信模块集成了ZigBee无线收发器和一个单指令内嵌Flash空间的51CPU核，同时还有GPIO,功能为接收无线电能参数及温度测量模块发送过来的测量数据，然后把数据送给主CPU进行处理；RS485通信接口电路功能是把测量的数据传送到计算机工作站监控系统，通信接口电路可根据用户需要配置成CAN或以太网接口；RTC时钟电路采用上海贝岭的BL5373芯片，给整个系统提供实时时钟信号。

2. 无线电能参数及温度测量模块

无线电能参数及温度测量模块主MCU 采用超低功耗的1 6 位MSP430系列的微控制器。外围电路由ZigBee无线通信模块、电量传感器电路、温度传感器电路和电源电路及锂电池电路等组成。ZigBee无线通信模块功能为把测量的电能参数及温度数据无线传输给监视仪；电量传感器电路主芯片采用上海贝岭的低功耗三相多功能电能测量芯片BL6519,此芯片能够测量