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

2. 無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊

無線電能參數(shù)及溫度測(cè)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(cè)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(cè)量芯片BL6519,此芯片能夠測(cè)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(cè)功能以及電流電壓峰值檢測(cè)功能，用它來測(cè)量三相變壓器負(fù)載電流、電壓和功率等參數(shù)；溫度傳感器電路功能為測(cè)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(gè)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(shí)，暫時(shí)給系統(tǒng)供電及給BL5373實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路供電。

二、系統(tǒng)工作原理

電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)為無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊低功耗技術(shù)實(shí)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(cè)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(gè)無線電能參數(shù)及溫度測(cè)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(shí)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(gè)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(cè)量模塊正常供電下的工作過程為：1. 用BL6519電能測(cè)量芯片測(cè)量變壓器負(fù)載電流、電壓和功率等參數(shù)；2. 用溫度傳感器測(cè)量變壓器的油溫；3.

喚醒ZigBee無線通信模塊，發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)儀，接著通信模塊進(jìn)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(cè)量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)量值，包括成組顯示圖、棒狀圖、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史趨勢(shì)圖和報(bào)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(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理。

無線電能參數(shù)及溫度測(cè)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(dá)500米。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線電能參數(shù)監(jiān)視儀由于程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，故采用μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-II內(nèi)核的特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、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(shí)時(shí)能力，μC/OS-II可以將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的重要性來分配優(yōu)先級(jí)，任務(wù)的調(diào)度完全由μC/OS-II的實(shí)時(shí)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(jí)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(fù)責(zé)CPU時(shí)間分配，CPU時(shí)間總是優(yōu)先分配給中斷事件，其次是任務(wù)隊(duì)列中當(dāng)前優(yōu)先級(jí)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(hào)量、郵箱、信息隊(duì)列等機(jī)制完成。

采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?。整個(gè)程序設(shè)計(jì)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(jì)與維護(hù)。

1. 任務(wù)的劃分

根據(jù)無線電能參數(shù)監(jiān)視儀要實(shí)現(xiàn)的程序中各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把程序分成六個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、接收隊(duì)列監(jiān)視、數(shù)據(jù)發(fā)送、鍵盤輸入和LCD顯示。除了6個(gè)主要應(yīng)用任務(wù)外，還有三個(gè)中斷服務(wù)子程序：一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性時(shí)鐘信號(hào)源；二個(gè)串口接收中斷（一個(gè)用于ZigBee無線通信模塊的數(shù)據(jù)接收，另一個(gè)用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站的數(shù)據(jù)請(qǐng)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(gè)無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)， 當(dāng)前任務(wù)是不會(huì)放棄對(duì)CPU的使用權(quán)的。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)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(biāo)志的設(shè)置。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3：無線電能參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)軟件。

各個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí)，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時(shí)函數(shù)，可以啟動(dòng)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。在設(shè)計(jì)中，通過對(duì)延時(shí)參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)每隔一定的時(shí)鐘節(jié)拍，就啟動(dòng)接收隊(duì)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(shí)，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(shí)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(hào)量DataProcSem,數(shù)據(jù)處理任務(wù)接收到信號(hào)量啟動(dòng)運(yùn)行，完成數(shù)據(jù)處理分析功能；若是計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站發(fā)送過來請(qǐng)求幀數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)量SendSem,數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)接收到信號(hào)量，啟動(dòng)運(yùn)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(hào)量的傳遞來實(shí)現(xiàn)，以此來保證時(shí)間與任務(wù)的同步。