電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是提高生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，本文針對(duì)東莞高科技產(chǎn)業(yè)園對(duì)電能質(zhì)量的要求，提出了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的測(cè)量和通信功能，而且具有組網(wǎng)方便、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、低成本、大容量、高可靠性的特點(diǎn)，能很好地滿足高科技工業(yè)園電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。

系統(tǒng)概述

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，ARM9S3C2440控制模塊(匯聚節(jié)點(diǎn))、本地上位機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心組成，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)分布在每個(gè)需要監(jiān)測(cè)的電源點(diǎn)，比如：每臺(tái)精密加工設(shè)備，每臺(tái)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，自動(dòng)化生產(chǎn)線等;S3C2440模塊(匯聚節(jié)點(diǎn))分布在離數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)約40 m距離的范圍內(nèi)，本地上位機(jī)分布在各廠監(jiān)控室，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心放置在工業(yè)園電力管理中心，各部分的功能如下：

(1)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)：由電壓、電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、頻率同步電路、A/D、DSP及ZigBee模塊組成，電壓、電流互感器將從電網(wǎng)上得到的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合A/D轉(zhuǎn)換的交流小信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行相關(guān)電能質(zhì)量參數(shù)運(yùn)算和分析，分析結(jié)果通過CC2530無線通信模塊傳送至ARM控制中心，頻率同步電路的作用是減小非同步采樣造成的FFT算法中的柵欄效應(yīng)。

(2)S3C2440模塊(匯聚節(jié)點(diǎn))：由ARM9 S3C2440、SDRAM、ZigBee模塊、以及看門狗、時(shí)鐘等外圍電路組成。S3C2440模塊是系統(tǒng)下位機(jī)的管理控制中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和本地上位機(jī)之間的通信與數(shù)據(jù)交換，ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)通信鏈路及路由的建立以及數(shù)據(jù)包協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

(3)本地上位機(jī)：本地使用PC作為上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示及存儲(chǔ)等功能。

(4)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心：遠(yuǎn)程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)接入本地上位機(jī)的服務(wù)器平臺(tái)，通過“終端一服務(wù)器”的形式完成對(duì)本地上位機(jī)的操作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 CC2530電路原理圖

無線收發(fā)器

在常用的無線傳感協(xié)議中，ZigBee以其覆蓋范圍寬、容量大、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)可自由擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)耗時(shí)低、安全、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)受到更多的關(guān)注，本系統(tǒng)選用CC2530 ZigBee模塊作為無線收發(fā)器，CC2530是TI在2009年推出的，在CC2430的基礎(chǔ)上根據(jù)CC2430實(shí)際應(yīng)用的一些問題做了一些改進(jìn)，存儲(chǔ)容量最大支持到256 KB，可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到400 m，對(duì)于中小型工廠，不用外加功放來擴(kuò)展距離，只需要一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)即可滿足全廠范圍內(nèi)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，強(qiáng)大的5通道DMA控制器使硬件外設(shè)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，從而滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。

CC2530電路原理如圖2所示，CC2530與S3C2440通過UART0連接，與DSP通過串口連接。電路中的C251，C261，L1共同作用為 CC2530的內(nèi)部PA和LNA提供直流偏置，C252，L261和C262，L252分別是LC巴倫電路的低通濾波電路和高通濾波電路，它們負(fù)責(zé)差分信號(hào)和單端信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配，L2，C1，L3是pi型濾波電路。

本文提出的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大型工業(yè)園電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)ARM與DSP之間的通信，省去了復(fù)雜的布線環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量的精力和成本，在實(shí)際組網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試中，無線傳輸模塊的室外直線傳播距離超過300 m，室內(nèi)有障礙時(shí)傳播距離超過40 m，最大傳輸時(shí)延小于80 ms，具有自組網(wǎng)功能。該系統(tǒng)可對(duì)電網(wǎng)諧波的有效值、功率及功率因數(shù)、諧波畸變率、諧波含有率、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡度等多種電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)具有低成本，高可靠性，高容量、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于工業(yè)園中自動(dòng)化生產(chǎn)線精密儀器、設(shè)備的電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)高科技工業(yè)園提高生產(chǎn)效率，節(jié)能減排具有實(shí)際意義。