無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)電路
電能質(zhì)量的實時監(jiān)測是提高生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、安全生產(chǎn)的關鍵,本文針對東莞高科技產(chǎn)業(yè)園對電能質(zhì)量的要求,提出了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有強大的測量和通信功能,而且具有組網(wǎng)方便、動態(tài)拓撲、低成本、大容量、高可靠性的特點,能很好地滿足高科技工業(yè)園電能質(zhì)量實時監(jiān)測的實際需要。
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,ARM9S3C2440控制模塊(匯聚節(jié)點)、本地上位機、遠程監(jiān)測管理中心組成,數(shù)據(jù)采集節(jié)點分布在每個需要監(jiān)測的電源點,比如:每臺精密加工設備,每臺變頻調(diào)速驅(qū)動器,自動化生產(chǎn)線等;S3C2440模塊(匯聚節(jié)點)分布在離數(shù)據(jù)采集節(jié)點約40 m距離的范圍內(nèi),本地上位機分布在各廠監(jiān)控室,遠程監(jiān)測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:由電壓、電流互感器、信號調(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、電流信號轉(zhuǎn)換成適合A/D轉(zhuǎn)換的交流小信號,經(jīng)濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器,DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并進行相關電能質(zhì)量參數(shù)運算和分析,分析結(jié)果通過 CC2530($3.5750)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。
(2)S3C2440模塊(匯聚節(jié)點):由ARM9 S3C2440、SDRAM、ZigBee模塊、以及看門狗、時鐘等外圍電路組成。S3C2440模塊是系統(tǒng)下位機的管理控制中心,負責數(shù)據(jù)采集節(jié)點和本地上位機之間的通信與數(shù)據(jù)交換,ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器,負責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:本地使用PC作為上位機,完成數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示及存儲等功能。
(4)遠程監(jiān)測管理中心:遠程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)接入本地上位機的服務器平臺,通過“終端一服務器”的形式完成對本地上位機的操作,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享。
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)簡單、網(wǎng)絡可自由擴展、聯(lián)網(wǎng)耗時低、安全、低功耗、低成本等優(yōu)勢受到更多的關注,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($4.0170)的基礎上根據(jù)CC2430實際應用的一些問題做了一些改進,存儲容量最大支持到256 KB,可編程的輸出功率高達4.5 dBm,具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能,通信距離最遠可以達到400 m,對于中小型工廠,不用外加功放來擴展距離,只需要一個匯聚節(jié)點即可滿足全廠范圍內(nèi)的電能質(zhì)量監(jiān)測,強大的5通道DMA控制器使硬件外設能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸,從而滿足系統(tǒng)實時監(jiān)測的需求。
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,它們負責差分信號和單端信號之間的轉(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)絡的大型工業(yè)園電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng),利用ZigBee無線傳輸模塊實現(xiàn)ARM與DSP之間的通信,省去了復雜的布線環(huán)節(jié),節(jié)約了大量的精力和成本,在實際組網(wǎng)點對點通信測試中,無線傳輸模塊的室外直線傳播距離超過300 m,室內(nèi)有障礙時傳播距離超過40 m,最大傳輸時延小于80 ms,具有自組網(wǎng)功能。該系統(tǒng)可對電網(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、電壓波動與閃變、三相不平衡度等多種電能質(zhì)量參數(shù)進行測量。系統(tǒng)具有低成本,高可靠性,高容量、組網(wǎng)簡單等特點,適用于工業(yè)園中自動化生產(chǎn)線精密儀器、設備的電能質(zhì)量的實時監(jiān)測,對高科技工業(yè)園提高生產(chǎn)效率,節(jié)能減排具有實際意義。