基于PCAP01的高精度電容測(cè)量

引言

《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中明確規(guī)定：監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)部署上是一個(gè)多級(jí)的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，一般可分為三級(jí)，即監(jiān)控中心(SC-SupervisionCenter)、監(jiān)控站(SS-SupervisionStation)、監(jiān)控單元(SU-SupervisionUnit)。其中SC和SS監(jiān)控主機(jī)為PC機(jī)，SU由單片機(jī)或監(jiān)控模塊組成。SU有一套設(shè)備和環(huán)境參量采集器；當(dāng)警告發(fā)生時(shí)，SU將信號(hào)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)往SC，SC系統(tǒng)通過軟件對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)信息，控制相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)生成各種統(tǒng)計(jì)圖表和資料。其監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠?qū)Ψ植荚谙到y(tǒng)的重要設(shè)備,包括通信電源、機(jī)房空調(diào)以及環(huán)境設(shè)備等都能夠進(jìn)行遙測(cè)(YC)、遙信(YX)、遙控(YK)和遙調(diào)(YT)，達(dá)到遙視(YS)目的，既能實(shí)時(shí)監(jiān)視和顯示其運(yùn)行參數(shù)，又可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)和處理系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備故障。這種自動(dòng)化、智能化的管理，可以提高工作效率，實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人職守，達(dá)到降低成本的目的，整個(gè)系統(tǒng)在給操作人員提供一個(gè)可視化操作環(huán)境同時(shí)、更能讓他感覺友好和方便。

1傳統(tǒng)的監(jiān)控通信系統(tǒng)

根據(jù)圖1可以了解到，整個(gè)電源監(jiān)控系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)基本上是由各監(jiān)控站組成，每一個(gè)監(jiān)控站又由多個(gè)監(jiān)控單元組成，包括UPS電源、空調(diào)、油機(jī)等多種分散設(shè)施組成。能否及時(shí)掌握整個(gè)監(jiān)控單元的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出的數(shù)據(jù)(主要有溫度、電壓、電流、壓力等)，并對(duì)它們進(jìn)行科學(xué)的分析，然后及時(shí)地將生產(chǎn)調(diào)度指令，反饋到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，就直接關(guān)系到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM/CDMA)，由于使用簡(jiǎn)單方便，已在電源監(jiān)控以及其它各種工業(yè)的低數(shù)據(jù)率監(jiān)控領(lǐng)域中廣泛被采用，在實(shí)際中也解決了大量的問題。然而，由于移動(dòng)通信它屬于固定成本很高、邊際成本很低的服務(wù)行業(yè)這個(gè)性質(zhì)，用戶在實(shí)際應(yīng)用中，都普遍存在如下問題：建設(shè)移動(dòng)通信基站費(fèi)用非常昂貴，而且信號(hào)只能覆蓋在用戶比較密集的地方，如城市、學(xué)校、工礦點(diǎn)以及比較密集的居民點(diǎn)等，而許多地段偏遠(yuǎn)荒涼或人煙稀少的地方卻無(wú)法覆蓋到，輕則僅是一些個(gè)別孤立點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成一整片，或一整段，形成盲區(qū)。解決這些盲點(diǎn)或盲區(qū)和現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)的通信連接問題，如果采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式來(lái)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相連，則每一個(gè)盲點(diǎn)，都需要一對(duì)無(wú)線收發(fā)設(shè)備才能與移動(dòng)網(wǎng)相連，這勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)備安裝和運(yùn)營(yíng)維修費(fèi)用。如何運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源維護(hù)監(jiān)控的信息化、自動(dòng)化，已經(jīng)成為電信部門日常維護(hù)設(shè)備、減少停機(jī)時(shí)間、提高工作效率的必由之路。

2采用ZigBee技術(shù)的電源監(jiān)控

作為一種新興的ZigBee技術(shù)，使用IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范作為介質(zhì)訪問層(MAC)和物理層(PHY)。IEEE802.15.4總共定義了3個(gè)頻帶：2.4GHz、915MHz和868MHz。每個(gè)頻帶提供穩(wěn)定數(shù)量的信道。與藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)相比，更適合低速率、短距離并且對(duì)成本、安全性、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和功耗有特殊要求的節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信。

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的電源監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)工作于(2.4?2.48Ghz)ISM免費(fèi)頻段，具有16個(gè)擴(kuò)頻通信信道，傳輸速率為250KB，具有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能、抗干擾力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、自動(dòng)動(dòng)態(tài)組圖、自由路由等特點(diǎn)。

覆蓋范圍近則幾十米，遠(yuǎn)則能達(dá)幾公里的效果。而且在非工作模式，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，耗電僅1uW,非常省電。對(duì)那些需要覆蓋距離短的監(jiān)控站點(diǎn)，工作模式耗電為30mW。在使用頻率不是很高的場(chǎng)景中，通常兩節(jié)普通干電池使用壽命可達(dá)一年以上。采用新的無(wú)線通信技術(shù)，并借助程序軟件，能把多達(dá)65535個(gè)電源監(jiān)控站相互動(dòng)態(tài)組網(wǎng)聯(lián)接起來(lái)，進(jìn)行信號(hào)傳輸。每個(gè)監(jiān)控站在整個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)中作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存在，擁有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，起到數(shù)據(jù)的收發(fā)和中轉(zhuǎn)作用。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)，連接于外面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；并且遵循現(xiàn)有的各種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)安全性非常高，硬件設(shè)施支持CRC和AES-128,與一般的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)就都可以看成一個(gè)簡(jiǎn)單的小基站，節(jié)點(diǎn)之間可以直接相互通信。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以隨意地加入和退出，是一種自組織和動(dòng)態(tài)配置的組網(wǎng)方式。借助網(wǎng)管軟件,能夠?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中的任一基站(節(jié)點(diǎn))進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)需要傳輸大負(fù)荷的數(shù)據(jù)時(shí)，可以采取增加一些高速率的數(shù)據(jù)出口節(jié)點(diǎn)方式，組成一種復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來(lái)減輕整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量;同時(shí)還可采取如適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)自身的內(nèi)存、加大每個(gè)節(jié)點(diǎn)本身的信號(hào)處理能力以及設(shè)立適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)卸載等措施來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

ZigBee與其他無(wú)線通信方式的對(duì)比如表1所列。

3采用ZigBee監(jiān)控技術(shù)的特性

ZigBee技術(shù)的特性包括以下幾個(gè)方面：

低速率：最大是250KB/s，主要用于數(shù)據(jù)低速率傳輸場(chǎng)景；

低功耗：其工作功耗遠(yuǎn)小于Wi-Fi的工作功耗，休眠狀態(tài)，耗電僅1uW，非常省電；

低成本：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單,所以大大降低了成本。且ZigBee協(xié)議免收專利費(fèi)。

抗干擾性強(qiáng)：在低信噪比的環(huán)境下，ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能；在相同的環(huán)境中，ZiBbee抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于藍(lán)牙和Wi-Fi；

網(wǎng)絡(luò)容量大:每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個(gè)設(shè)備；

時(shí)延短:一般時(shí)延都在15ms至30ms之間；

安全可靠：128位AES加密-提供設(shè)備之間的安全連接；

有效范圍靈活、布網(wǎng)容易：ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到幾千米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。另外，通過ZigBee無(wú)線路由器極大降低了ZigBee網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)及調(diào)試的難度和時(shí)間，并消除了無(wú)線通信死角。

表1ZigBee與藍(lán)牙等其他通信方式比較

4典型應(yīng)用

ZigBee技術(shù)可能用于幾乎所有行業(yè)的低速率、短距離無(wú)線通信場(chǎng)景，隨著科技的發(fā)展，不斷被應(yīng)用于智能家居、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)控制裝置、智能交通、智能建筑、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無(wú)線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中。

在一些危險(xiǎn)領(lǐng)域，例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)，火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)，都逐漸采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

5結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee電源監(jiān)控技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ烹娫锤鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并傳給操作用戶，采用這種方式的進(jìn)行電源監(jiān)控以良好的可擴(kuò)展性、不受地理位置限制等優(yōu)勢(shì),具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

20211118_6196495a2f18c__基于ZigBee的電源監(jiān)控技術(shù)