基于ZigBee技術(shù)的低功耗電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)

2. 無線電能參數(shù)及溫度測量模塊

無線電能參數(shù)及溫度測量模塊主MCU 采用超低功耗的1 6 位MSP430系列的微控制器。外圍電路由ZigBee無線通信模塊、電量傳感器電路、溫度傳感器電路和電源電路及鋰電池電路等組成。ZigBee無線通信模塊功能為把測量的電能參數(shù)及溫度數(shù)據(jù)無線傳輸給監(jiān)視儀；電量傳感器電路主芯片采用上海貝嶺的低功耗三相多功能電能測量芯片BL6519,此芯片能夠測量分相和合相有功功率及分相電流、電壓有效值、功率因子、線頻率等參數(shù)，具有失壓與過壓監(jiān)測功能以及電流電壓峰值檢測功能，用它來測量三相變壓器負載電流、電壓和功率等參數(shù)；溫度傳感器電路功能為測量變壓器油溫；電源電路功能為通過PT電壓互感器在線取電，給整個模塊供電，從而省去外部專門供電電源；另外鋰電池電路功能是在模塊失去外部供電時，暫時給系統(tǒng)供電及給BL5373實時時鐘電路供電。

二、系統(tǒng)工作原理

電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)難點為無線電能參數(shù)及溫度測量模塊低功耗技術(shù)實現(xiàn)。一般ZigBee無線通信模塊睡眠模式下工作電流小于1μA,MSP430系列MCU在超低功耗工作模式下工作電流也小于1μA,溫度傳感器電路低功耗模式工作電流約為2μA,電能參數(shù)測量電路BL6519工作電流約為6.8mA,再加上系統(tǒng)外圍電路的功耗，整個無線電能參數(shù)及溫度測量模塊在低功耗模式下平均電流約為6.81mA,因而可以用PT電壓互感器在線取電技術(shù)實現(xiàn)模塊供電。在變壓器設(shè)備斷電情況下，只要關(guān)斷BL6519芯片的供電，整個模塊工作電流就降到10μA左右，這樣模塊就切換到3.6V（1,200mAh）的鋰電池供電模式。

無線電能參數(shù)及溫度測量模塊正常供電下的工作過程為：1. 用BL6519電能測量芯片測量變壓器負載電流、電壓和功率等參數(shù)；2. 用溫度傳感器測量變壓器的油溫；3.

喚醒ZigBee無線通信模塊，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給監(jiān)測儀，接著通信模塊進入睡眠模式。如此循環(huán)工作。

無線電能參數(shù)監(jiān)視儀的工作過程為接收到無線電能參數(shù)及溫度測量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過LCD顯示器以不同畫面顯示電壓、電流、功率和溫度等測量值，包括成組顯示圖、棒狀圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖和報警記錄等。通過RS485通信接口或CAN、以太網(wǎng)通信接口把數(shù)據(jù)送到計算機監(jiān)控工作站，對數(shù)據(jù)作進一步的分析處理。

無線電能參數(shù)及溫度測量模塊為了安裝方便，一般ZigBee模塊發(fā)射天線采用內(nèi)部PCB板載天線。無線電能參數(shù)監(jiān)視儀一般外接5dbi天線，通信視距可達500米。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線電能參數(shù)監(jiān)視儀由于程序設(shè)計復(fù)雜，故采用μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)。μC/OS-II內(nèi)核的特點是簡潔、穩(wěn)定、實時性強、可裁剪，可以改寫源代碼使之符合自己的要求，裁減掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧、靈活，并且能滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。為了提高系統(tǒng)的實時能力，μC/OS-II可以將一個復(fù)雜的應(yīng)用劃分為多個相互獨立的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的重要性來分配優(yōu)先級，任務(wù)的調(diào)度完全由μC/OS-II的實時內(nèi)核完成，主要包括任務(wù)的狀態(tài)管理、選擇最高優(yōu)先級的任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)和撤銷任務(wù)等。μC/OS-II內(nèi)核還負責(zé)CPU時間分配，CPU時間總是優(yōu)先分配給中斷事件，其次是任務(wù)隊列中當前優(yōu)先級最高的任務(wù)，不同任務(wù)間的通信可以通過μC/OS-II提供的信號量、郵箱、信息隊列等機制完成。

采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，簡化了應(yīng)用程序的設(shè)計，使整個程序結(jié)構(gòu)簡潔、復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?。整個程序設(shè)計由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用任務(wù)構(gòu)成，應(yīng)用程序更容易設(shè)計與維護。

1. 任務(wù)的劃分

根據(jù)無線電能參數(shù)監(jiān)視儀要實現(xiàn)的程序中各個任務(wù)的重要性和實時性，把程序分成六個具有不同優(yōu)先級的任務(wù)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、接收隊列監(jiān)視、數(shù)據(jù)發(fā)送、鍵盤輸入和LCD顯示。除了6個主要應(yīng)用任務(wù)外，還有三個中斷服務(wù)子程序：一個時鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性時鐘信號源；二個串口接收中斷（一個用于ZigBee無線通信模塊的數(shù)據(jù)接收，另一個用于計算機監(jiān)控工作站的數(shù)據(jù)請求接收）。

2. 任務(wù)的同步與調(diào)度

通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般函數(shù)，它是一個無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)， 當前任務(wù)是不會放棄對CPU的使用權(quán)的。為了實現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標志的設(shè)置。

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計如圖3所示。

圖3：無線電能參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)軟件。

各個任務(wù)具有不同的優(yōu)先級，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時函數(shù)，可以啟動具有更高優(yōu)先級的進入就緒態(tài)的任務(wù)。在設(shè)計中，通過對延時參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)每隔一定的時鐘節(jié)拍，就啟動接收隊列監(jiān)視任務(wù)，定期掃描環(huán)形緩沖區(qū)。一旦發(fā)現(xiàn)讀指針與寫指針不相等時，就將環(huán)形緩沖區(qū)中新接收到的數(shù)據(jù)存入recvbuf中，同時對收到的數(shù)據(jù)進行簡單解析，若是ZigBee無線通信模塊傳輸過來數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)處理信號量DataProcSem,數(shù)據(jù)處理任務(wù)接收到信號量啟動運行，完成數(shù)據(jù)處理分析功能；若是計算機監(jiān)控工作站發(fā)送過來請求幀數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送信號量SendSem,數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)接收到信號量，啟動運行，完成數(shù)據(jù)發(fā)送功能。同樣，其他程序模塊功能也是通過任務(wù)間的通信與信號量的傳遞來實現(xiàn)，以此來保證時間與任務(wù)的同步。