基于Zig Bee无线组网的SF6在线监测系统设计

王凯强， 陈　光， 刘　洋， 黄成军， 郭灿新

(1.上海交通大学，上海 200240；2.江苏省电力公司 电力科学研究院，江苏 南京 211103；3.上海华乘电气科技有限公司，上海 201114)



基于Zig Bee无线组网的SF6在线监测系统设计

王凯强1， 陈光2， 刘洋2， 黄成军1， 郭灿新3

(1.上海交通大学，上海 200240；2.江苏省电力公司 电力科学研究院，江苏 南京 211103；3.上海华乘电气科技有限公司，上海 201114)

摘要:提出了一种SF6在线监测系统的设计方案。以CC2530无线片上系统单片机为核心，通过传感器与Zig Bee无线通信实现了环境温湿度、大气压、O2浓度和SF6浓度信息采集与传输。该系统具有经济、可靠、高效等优点，在测试实验当中达到了设计要求。

关键词:在线监测； 单片机； 传感器； Z-Stack

0引言

SF6气体是一种重要的介质，它用作封闭式中、高压开关的灭弧和绝缘气体。SF6还是一种简单窒息剂，一旦泄露危及区域内人群人身安全。SF6气体泄漏会给值班人员和电力设备带来一定的危害。首先，SF6气体在高温电弧的作用下会产生的某些有毒物质，如，SF4,SF2,S2F2等气体，这些气体泄漏出来不仅会对工作人员造成毒害，而且它们会与空气中的水分发生化学反应，生成氢氟酸(HF)和亚硫酸(H2SO3)，可严重腐蚀电气设备，降低设备的使用性能和寿命。其次，SF6是惰性重气体，它的密度比空气大，容易沉积在低处，造成工作人员的缺氧，威胁其人身安全。因此，SF6浓度在线监测在电力行业中有着重要意义[1,2]。同时，无线传感器网络(WSNs)是当前计算机网络研究的热点，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域[3～5]。鉴于以上两点，本文采用电化学传感器检测SF6浓度，通过Zig Bee无线网络进行数据通信，实现了环境温湿度、大气压、O2浓度和SF6浓度监测与传输。

1系统总体结构

系统总体结构如图1所示。网络中设备分为协调器(coordinator)和终端设备(end-device)[4,6]。

图1　系统总体结构框图Fig 1　Overall structure block diagram of system

系统由多个终端设备构成，可同时监测多台开关设备状态，每个终端均通过Zig Bee无线网络与协调器进行通信。协调器通过RS—485总线连接到上位机。

2系统硬件设计

2.1传感器模块

SF6浓度采用电化学传感器进行检测，输出电压信号经放大器放大后输入CC2530进行A/D转换。O2浓度采用电化学传感器进行检测，模拟信号经过电压跟随器输入CC2530进行A/D转换。温湿度采用数字传感器进行测量，SCK和DATA双线输入单片机。大气压采用数字传感器进行测量，数据通过I2C总线输入单片机。

2.2主控模块

CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4,Zig Bee和RF4CE应用的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了RF收发器的优良性能，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8kB RAM。CC2530F256 结合了德州仪器的Zig Bee 协议栈(Z-Stack)，提供了一个强大和完整的Zig Bee 解决方案。

CC2530外围电路如图2所示，SF6和O2浓度采集的模拟信号分别连接到CC2530的P0口；温湿度和大气压传感器数字信号连接到P1口。P1口的串口连接到RSM3485CHT，用于RS—485通信。CC2530 具有一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块U5，用于实现Zig Bee无线组网。

图2　CC2530外围电路设计Fig 2　Peripheral circuit design of CC2530

3系统软件设计

3.1软件总体架构

软件采用德州仪器的Z-Stack协议栈，符合Zig Bee协议架构[6]。在应用层目录(APP)内，添加自己的任务文件Senser.C和Senser.h。Senser.C中任务由以下模块构成：

1)A/D转换模块:主要是将输入的O2和SF6浓度信号转换为数字量，再转换为二者的浓度值，可供发送给协调器。

2)模拟I2C模块:由于CC2530没有硬件I2C接口，故需要软件模拟，主要用来接收大气压信号，供进一步处理。

3)模拟SCK与DATA模块:根据传感器芯片规定的信号传输时序进行模拟，主要用来接收温度与湿度信号。

协议栈已对串口和Zig Bee无线通信模块进行了配置，修改相关设置即可实现所需串口通信和无线组网。

3.2软件与主程序流程

系统软件流程如图3所示。在协议栈中，首先对系统进行初始化，配置相应的寄存器和I/O口。协调器采用Zig Bee单点传送的方式向终端发送采集数据命令，各终端根据其发送的网络地址是否为自己的ID执行相应操作，若相符，则采集传感器数据并处理，发给协调器;否则,无动作，等待下一次命令。

Z-Stack协议栈主程序最后调用了函数osal_start_system()，其是一个无限次的循环，不断调用函数osal_run_system()，执行系统事件，其流程如图4所示。

图3　软件流程Fig 3　Software process

图4　函数osal_run_system()的流程图Fig 4　Flowchart of function osal_run_system()

3.3子程序实现

3.3.1无线收发子程序

协调器采集数据命令“DATA”存放于数组buf中，利用函数AF_DataRequest()将数据发送出去。具体程序如下：

GenericApp_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addr16Bit;∥设置寻址方式为单点寻址

GenericApp_DstAddr.endPoint=10;∥设置端点号

GenericApp_DstAddr.addr.shortAddr = 0x0001;∥设置目的地址短地址

AF_DataRequest( &GenericApp_DstAddr,&GenericApp_epDesc,GENERICAPP_CLUSTERID,sizeof(buf),buf,&GenericApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)

数据包被发送到一个登记注册过的端点，协议栈在应用层通过OSAL事件处理函数中的接收信息事件AF_INCOMING_MSG_CMD来处理数据的接收。终端接收到命令采集数据后也通过函数AF_DataRequest()发回给协调器。网络中终端设备的网络地址是由协调器随机分配的，终端可以通过NLME_GetShortAddr()函数获取自身的网络地址。

3.3.2串口通信子程序

修改协议栈对串口的相关设置，在hal_board_cfg.h文件中#ifndef HAL_UART之前添加宏定义#define ZAPP_P1，使用串口0。设置寄存器 PERCFG = 0x03，串口配置到备用位置2，波特率设为115200，利用回调函数SerialApp_CallBack和HalUARTWrite ()函数进行数据收发。

4实验结果

为了验证系统设计方案可行，采用3个终端设备进行了Zig Bee无线组网测试实验，单个终端设备如图5所示。上位机如图6所示，协调器内置于上位机中。实验中，3个终端分别置于与协调器相距50 m的三个地点，实验结果如表1。

图5　单个终端设备实物图Fig 5　Physical map of single terminal device

终端序号SF6浓度/10-6O2浓度/%温度/℃湿度/%RH大气压/Pa15.1320.7721.4545.7610234827.5420.5422.3742.8310226736.0820.6121.8543.52102374

实验结果表明:该系统可以通过Zig Bee无线网络实现环境温度、湿度、大气压、O2浓度和SF6浓度信息采集与传输。

图6　上位机实物图Fig 6　Physical map of upper PC

5结束语

本文研究了SF6在线监测系统设计，完成了其结构设计，软硬件组成，实现了Zig Bee无线组网测试实验。

监测单元采用CC2530核心板作为主控器，针对环境监测单元，设计了各个传感器的接口电路，以便CC2530进行采样，对温度、湿度、大气压、O2和SF6浓度进行数据采集和分析。

进行现场试用，对某变电站进行环境监测，达到了及时准确采集环境信息的效果，具有现场实用价值。

参考文献:

[1]于朝辉.居民区变电站运行环境监测与综合分析系统[D].北京：华北电力大学，2011.

[2]蔡声镇，吴允平，郑志远,等.高压变电站室内分布式SF6监测系统的研制[J].仪器仪表学报，2006，27(9)：1033-1036.

[3]黄绪勇，刘沛，苗世洪,等.无线传感自组网在电力监控中的应用动态[J].电力系统自动化，2007，31(7)：99-103.

[4]梁湖辉,张峰,常冲,等.基于Zig Bee的变电站监测报警系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(12)：121-124.

[5]冯培昌,周晓云,陈孝伟.无线传感网络探讨[J].电气自动化，2005，27(5)：73-75.

[6]姜仲，刘丹.Zig Bee技术与实训教程—基于CC2530无线传感网技术[M].北京：清华大学出版社，2014.

Design of SF6on-line monitoring system based on Zig Bee wireless networking

WANG Kai-qiang1, CHEN Guang2, LIU Yang2, HUANG Cheng-jun1, GUO Can-xin3

(1.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Electric Power Research Institute of Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 211103,China;3.Shanghai PDStars Electric Co Ltd,Shanghai 201114,China)

Abstract:Present a design scheme for SF6 on-line monitoring system.CC2530,which is MCU with a wireless system on chip(SoC),is used as core.It collects and transmits information of environmental temperature and humidity,atmospheric pressure and concentration of oxygen and SF6,through sensors and Zig Bee wireless communication.The system has advantages of low cost,high reliability and high efficiency,in actual test experiment,it reaches design requirements.

Key words:on-line monitoring; MCU; sensor; Z-Stack

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0064—03

收稿日期：2015—06—29

中图分类号:TN 92; TM 76

文献标识码:B

文章编号:1000—9787(2016)03—0064—03

作者简介:

王凯强(1990-)，男，江苏泰州人，硕士研究生，主要研究方向为电力电缆的局部放电技术。