基于ZigBee技术的低功耗电能参数无线监测系统

分相和合相有功功率及分相电流、电压有效值、功率因子、线频率等参数，具有失压与过压监测功能以及电流电压峰值检测功能，用它来测量三相变压器负载电流、电压和功率等参数；温度传感器电路功能为测量变压器油温；电源电路功能为通过PT电压互感器在线取电，给整个模块供电，从而省去外部专门供电电源；另外锂电池电路功能是在模块失去外部供电时，暂时给系统供电及给BL5373实时时钟电路供电。

二、系统工作原理

电能参数无线监测系统中最关键的技术难点为无线电能参数及温度测量模块低功耗技术实现。一般ZigBee无线通信模块睡眠模式下工作电流小于1μA,MSP430系列MCU在超低功耗工作模式下工作电流也小于1μA,温度传感器电路低功耗模式工作电流约为2μA,电能参数测量电路BL6519工作电流约为6.8mA,再加上系统外围电路的功耗，整个无线电能参数及温度测量模块在低功耗模式下平均电流约为6.81mA,因而可以用PT电压互感器在线取电技术实现模块供电。在变压器设备断电情况下，只要关断BL6519芯片的供电，整个模块工作电流就降到10μA左右，这样模块就切换到3.6V（1,200mAh）的锂电池供电模式。

无线电能参数及温度测量模块正常供电下的工作过程为：1. 用BL6519电能测量芯片测量变压器负载电流、电压和功率等参数；2. 用温度传感器测量变压器的油温；3.唤醒ZigBee无线通信模块，发送测量数据给监测仪，接着通信模块进入睡眠模式。如此循环工作。

无线电能参数监视仪的工作过程为接收到无线电能参数及温度测量模块发送的数据后，对数据进行分析处理，通过LCD显示器以不同画面显示电压、电流、功率和温度等测量值，包括成组显示图、棒状图、实时趋势图、历史趋势图和报警记录等。通过RS485通信接口或CAN、以太网通信接口把数据送到计算机监控工作站，对数据作进一步的分析处理。

无线电能参数及温度测量模块为了安装方便，一般ZigBee模块发射天线采用内部PCB板载天线。无线电能参数监视仪一般外接5dbi天线，通信视距可达500米。

三、系统软件设计

无线电能参数监视仪由于程序设计复杂，故采用μC/OS-II嵌入式实时操作系统。μC/OS-II内核的特点是简洁、稳定、实时性强、可裁剪，可以改写源代码使之符合自己的要求，裁减掉不需要的部分，使操作系统变得小巧、灵活，并且能满足用户特定操作系统的需要。为了提高系统的实时能力，μC/OS-II可以将一个复杂的应用划分为多个相互独立的任务，并根据任务的重要性来分配优先级，任务的调度完全由μC/OS-II的实时内核完成，主要包括任务的状态管理、选择最高优先级的任务、执行任务和撤销任务等。μC/OS-II内核还负责CPU时间分配，CPU时间总是优先分配给中断事件，其次是任务队列中当前优先级最高的任务，不同任务间的通信可以通过μC/OS-II提供的信号量、邮箱、信息队列等机制完成。

采用μC/OS-II实时操作系统内核，简化了应用程序的设计，使整个程序结构简洁、复杂的应用程序层次化。整个程序设计由操作系统和一系列用户应用任务构成，应用程序更容易设计与维护。

1. 任务的划分

根据无线电能参数监视仪要实现的程序中各个任务的重要性和实时性，把程序分成六个具有不同优先级的任务，包括系统监控、数据处理、接收队列监视、数据发送、键盘输入和LCD显示。除了6个主要应用任务外，还有三个中断服务子程序：一个时钟节拍中断，用于提供周期性时钟信号源；二个串口接收中断（一个用于ZigBee无线通信模块的数据接收，另一个用于计算机监控工作站的数据请求接收）。

2. 任务的同步与调度

通常多任务操作系统的任务不同于一般函数，它是一个无限循环，而且没有返回值。如果没有更高优先级的任务进入就绪态， 当前任务是不会放弃对CPU的使用权的。为了实现操作系统的正常运行和有关事件的同步，必须正确处理任务间的通信和事件标志的设置。

整个系统的软件设计如图3所示。

图3：无线电能参数监视系统软件。

各个任务具有不同的优先级，通过调用系统挂起函数或延时函数，可以启动具有更高优先级的进入就绪态的任务。在设计中，通过对延时参数的设置，系统每隔一定的时钟节拍，就启动接收队列监视任务，定期扫描环形缓冲区。一旦发现读指针与写指针不相等时，就将环形缓冲区中新接收到的数据存入recvbuf中，同时对收到的数据进行简单解析，若是ZigBee无线通信模块传输过来数据，则发送数据处理信号量DataProcSem,数据处理任务接收到信号量启动运行，完成数据处理分析功能；若是计算机监