摘 要： 提出了基于SI1000無(wú)線(xiàn)SoC片上系統(tǒng)的輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)方案,。詳細(xì)介紹了輸電線(xiàn)路監(jiān)測(cè)單元的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法,。該監(jiān)測(cè)單元的適用性廣，在無(wú)人值守,、沒(méi)有市電,、短距離長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合尤為適用。
關(guān)鍵詞： SI1000,； 輸電線(xiàn)路,； 無(wú)線(xiàn)傳輸； 微功耗,； 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)
在架空輸電線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中,，需要針對(duì)導(dǎo)線(xiàn)溫度、金具溫度,、導(dǎo)線(xiàn)弧垂、絕緣子風(fēng)偏、覆冰厚度,、微風(fēng)振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),。由于各類(lèi)參數(shù)的監(jiān)測(cè)單元安裝位置是在輸電線(xiàn)路上,因此要求其體積盡可能小、重量輕,、安裝方便,。由于針對(duì)線(xiàn)上取電，相關(guān)部門(mén)有嚴(yán)格的條件要求,，因此必須考慮合理的方式來(lái)解決監(jiān)測(cè)單元的供電問(wèn)題,。針對(duì)以上的應(yīng)用場(chǎng)合，本文介紹了一種微功耗的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元,，采用了無(wú)線(xiàn)SoC片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，使得其體積小、重量輕,、功耗極低,，僅使用電池供電，可以滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)單元在長(zhǎng)期無(wú)市電的條件下可靠正常工作,。
1 工作原理
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元工作原理框圖如圖1所示,。
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元安裝于架空輸電導(dǎo)地線(xiàn)上，負(fù)責(zé)各類(lèi)傳感要素的測(cè)量,，例如導(dǎo)線(xiàn)溫度,、金具溫度、導(dǎo)線(xiàn)弧垂,、導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏等,。傳感器將采集到的電測(cè)量接入微控制器SI1000，經(jīng)SI1000處理后得到相應(yīng)的物理量,，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻接口RF發(fā)送到在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元,。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的電源采用鋰電池供電，降低了監(jiān)測(cè)單元對(duì)外部電源的依賴(lài)性,。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元通過(guò)SI1000單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)射頻接口接收來(lái)自無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù),，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，提供給遠(yuǎn)程主站,，主站可對(duì)輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),。由于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的安裝位置不在架空線(xiàn)路上，其電源可通過(guò)多種方式提供,。
每個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元有自己唯一的ID,，主站可通過(guò)該ID地址來(lái)識(shí)別線(xiàn)路傳感器的類(lèi)型和位置。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元采用自報(bào)的方式向主站系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù),，每隔一定的時(shí)間間隔向主站報(bào)送數(shù)據(jù),，平時(shí)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元處于掉電狀態(tài),，因此無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元功耗很小，可長(zhǎng)期在無(wú)外部電源的供應(yīng)下在線(xiàn)工作,。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 SI1000單片機(jī)功能特點(diǎn)
SI1000是一款微功耗,、小體積并具備強(qiáng)大無(wú)線(xiàn)通信功能的51類(lèi)型的單片機(jī)，作為無(wú)線(xiàn)采集單元的核心部件,負(fù)責(zé)采集傳感器的信號(hào)并通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻接口與主站通信,。該芯片由美國(guó)Silicon Labs公司推出,，內(nèi)部集成了25 MHz的8051內(nèi)核、EZRadioPRO系列的射頻模塊,、64 KB的Flash,、4 KB+256 B的RAM,封裝在5 mm×7 mm的42-pin QFN 貼片中。
該處理器工作在掉電狀態(tài)僅有0.1 ?滋A左右的電流,，僅內(nèi)部RTC工作時(shí),，功耗為0.6 ?滋A。SI1000微控制器內(nèi)部使用四線(xiàn)制SPI總線(xiàn)(MOSI,、MISO,、SCK和NSS)與射頻模塊進(jìn)行通信，SI1000將射頻模塊作為外設(shè)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),，可以通過(guò)設(shè)置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發(fā)的各項(xiàng)參數(shù),。SI1000內(nèi)部的EZRadioPRO系列射頻模塊輸出頻率符合ISM標(biāo)準(zhǔn)，可從240 MHz~960 MHz調(diào)制輸出,。具有接收,、發(fā)送、空閑,、掉電等多種工作模式,，以滿(mǎn)足低功耗的應(yīng)用要求，不同模式之間通過(guò)寄存器設(shè)置可自由切換,。具有FSK,、GFSK、OOK等多種無(wú)線(xiàn)傳輸調(diào)制方式,，最大輸出功率達(dá)到20 dBm,，接收靈敏度為-121 dBm，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)最大傳輸距離能到2 000 m,。具有AFC自動(dòng)頻率控制功能,，有效減小由于晶體精度、工作溫度引起的頻率誤差,。
2.2電路原理
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的硬件電路原理如圖2所示,，主要由電源、看門(mén)狗電路,、無(wú)線(xiàn)射頻匹配電路,、傳感器電路和SI1000單片機(jī)構(gòu)成,。
其中，電源由鋰電池和3.3 V LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓源組成,，鋰電池輸出3.6 V電壓經(jīng)過(guò)3.3 V LDO轉(zhuǎn)換輸出3.3 V電壓,，為整個(gè)無(wú)線(xiàn)采集單元電路供電。鋰電池體積小,、便于安裝，重量輕,，減輕了對(duì)輸電線(xiàn)路的承重,，而且容量大，可滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)采集單元在輸電線(xiàn)路上長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的用電要求,。
看門(mén)狗電路的輸入與輸出均連接到SI1000單片機(jī)的外部引腳上,，其輸入作為SI1000給它的喂狗信號(hào)，輸出作為SI1000的復(fù)位信號(hào),。SI1000必須間隔一定時(shí)間喂狗,，否則超出給定間隔時(shí)間后，看門(mén)狗將會(huì)輸出復(fù)位信號(hào)使SI1000復(fù)位,?？撮T(mén)狗電路的主要作用是為了避免無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元長(zhǎng)期工作在無(wú)人值守的惡劣環(huán)境下意外出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，保證了單元長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性,。
射頻阻抗匹配電路為SI1000單片機(jī)內(nèi)部射頻模塊的外圍匹配電路,，它與射頻模塊的收發(fā)信號(hào)相連接。匹配電路中的電阻,、電容,、電感參數(shù)與無(wú)線(xiàn)收發(fā)頻率相關(guān)，需根據(jù)無(wú)線(xiàn)頻率大小來(lái)匹配相應(yīng)的參數(shù)值,。
JTAG是SI1000單片機(jī)程序仿真下載接口,。用戶(hù)可通過(guò)該接口將應(yīng)用程序代碼下載到單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，并進(jìn)行在線(xiàn)仿真調(diào)試,。
傳感器電路負(fù)責(zé)將架空輸電線(xiàn)路的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)接入到SI1000單片機(jī),，例如本設(shè)計(jì)中的溫度傳感器，其將感知的導(dǎo)線(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字接口接入到SI1000單片機(jī),。
2.3 射頻電路PCB板布線(xiàn)原則
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的射頻電路部分為高頻電路,，PCB板布線(xiàn)是否合理直接影響到整個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的通信性能。在PCB板設(shè)計(jì)時(shí),，射頻收發(fā)電路平行直線(xiàn)布置,，不能出現(xiàn)折彎甚至是交叉；射頻電路底層不能走信號(hào)線(xiàn),；低頻電路部分與射頻部分電路整體分開(kāi)布置,，數(shù)字地和模擬地之間使用磁珠隔離,，并做到一點(diǎn)連接；射頻電路的地線(xiàn)使用大面積敷銅,，接地點(diǎn)使用過(guò)孔直接連接到敷銅地,，盡量減少對(duì)地阻抗；使用多層板進(jìn)行PCB板布線(xiàn),，SI1000芯片底面接地點(diǎn)使用大過(guò)孔直接與多層的敷銅地連接,。
3 軟件設(shè)計(jì)
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：(1)通過(guò)傳感器采集線(xiàn)路上的模擬量數(shù)據(jù)； (2)將采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送到主站,。相對(duì)來(lái)說(shuō),，數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，下面重點(diǎn)介紹無(wú)線(xiàn)傳輸部分功能的軟件實(shí)現(xiàn),。
3.1無(wú)線(xiàn)通信規(guī)約
該通信規(guī)約使用三層IEC模型,，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層,，包結(jié)構(gòu)如圖3所示,，其中前導(dǎo)序列、同步字為物理層,，源地址,、目的地址、報(bào)文長(zhǎng)度,、CRC校驗(yàn)為數(shù)據(jù)鏈路層,，數(shù)據(jù)為應(yīng)用層。
前導(dǎo)序列為一串10101010位序列,，可看作整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信幀的起始標(biāo)志,，8 bit為1 B，字節(jié)長(zhǎng)度設(shè)置范圍為1~256,。同步字為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)開(kāi)始接收的時(shí)鐘同步標(biāo)志,，長(zhǎng)度可設(shè)置為1 B~4 B。
在前導(dǎo)序列和同步字設(shè)定好之后,，SI1000內(nèi)部的序列檢測(cè)器將按照設(shè)定的前導(dǎo)序列進(jìn)行匹配,，匹配成功之后緊跟著定時(shí)接收設(shè)定的同步字，在同步字接收成功后,，開(kāi)始源地址和目的地址的接收,。
源地址由4 B寄存器組成，可作為無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的地址匹配接收,，源地址的每一位可以與無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元地址的每一位進(jìn)行匹配,，只有是本單元地址的數(shù)據(jù)才進(jìn)行繼續(xù)接收。
目的地址也由4 B寄存器組成,，可用于存儲(chǔ)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元將要發(fā)送的目的地址,。無(wú)線(xiàn)通信幀發(fā)送時(shí),，硬件將其自動(dòng)添加到該幀中并發(fā)送。
報(bào)文長(zhǎng)度存儲(chǔ)了發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,最大255 B,。
CRC校驗(yàn)為曼徹斯特循環(huán)冗余校驗(yàn)碼,，包括了從地址、報(bào)文長(zhǎng)度,、數(shù)據(jù)等三層的數(shù)據(jù)校驗(yàn),。
3.2 無(wú)線(xiàn)傳輸機(jī)制
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的射頻傳輸采用了載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)隨機(jī)避讓機(jī)制(CSMA/CD)，使用該機(jī)制避免了無(wú)線(xiàn)通道在不同節(jié)點(diǎn)互用時(shí)的沖突,。流程圖如圖4所示,。
在使用該機(jī)制時(shí)，必須先使能SI1000發(fā)送控制寄存器中的LBTEN位,。無(wú)線(xiàn)傳輸前，先監(jiān)聽(tīng)0.5 ms,，如果在這段時(shí)間無(wú)線(xiàn)通道是空閑的,，通道空閑的檢測(cè)由RSSI接收信號(hào)能量監(jiān)測(cè)器來(lái)完成，當(dāng)接收信號(hào)能量小于某一門(mén)檻值時(shí),，RSSI將指示無(wú)線(xiàn)通道處于空閑狀態(tài),。然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)4.5 ms，如果無(wú)線(xiàn)通道仍然空閑,，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去,。如果在4.5 ms期間，無(wú)線(xiàn)通道忙,，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)5 ms再加上一個(gè)隨機(jī)時(shí)間,，隨機(jī)時(shí)間TPS=n×LPTI[6:0]，其中n為硬件自動(dòng)產(chǎn)生的范圍從0~15隨機(jī)數(shù),，LPTI是無(wú)線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)間隔時(shí)間寄存器,。監(jiān)聽(tīng)期間，如果無(wú)線(xiàn)通道空閑,，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去,，否則判斷監(jiān)聽(tīng)次數(shù)是否小于設(shè)定的最大監(jiān)聽(tīng)次數(shù)，如果小于則重新開(kāi)始監(jiān)聽(tīng),，否則返回通道發(fā)送錯(cuò)誤信息,。
3.3 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元工作流程
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元的基本工作流程如圖5所示。
在使用EZRadioPRO系列的射頻模塊前,，首先需要初始化SI1000與其通信的SPI接口功能,，使得SI1000處理器能對(duì)射頻模塊進(jìn)行參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，函數(shù)原型如下：
void SPI_Init (void)
{
// Init SPI
SPI1CFG = 0x40; // 設(shè)置SI1000為SPI1主機(jī)
SPI1CN = 0x00; // 使用3線(xiàn)制通信模式
SPI1CKR = SPI_CKR_VALUE; // 設(shè)置SPI傳輸速率
SPI1CN |= 0x01; // 使能SPI接口
NSS = 1; // NSS無(wú)效
}
然后需要通過(guò)EZRadioPRO協(xié)議棧的EZMacPRO_Init()函數(shù)來(lái)初始化射頻模塊的基本參數(shù)和功能,，函數(shù)原型如下：
Void EZMacPRO_Init(void)
{
EZMacProReg.name.MCR = 0x24;
// 配置無(wú)線(xiàn)收發(fā)通信速率9 600 bps
EZMacProReg.name.TCR = 0x78;
// 配置輸出功率20dBm,LBTEN=1(載波監(jiān)聽(tīng))
EZMacProReg.name.LBTLR = 0x78;
// 配置信道閾值-60 dBm,判斷信道是否空閑
EZMacProReg.name.LBTIR = 0x85;
// 設(shè)置碰撞避讓時(shí)間0.5 ms
EZMacProReg.name.MPL= 0x40;
// 配置發(fā)送最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度64 B
EZMacProReg.name.SFID = SrcAddr;
// 配置無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元源地址
......
}
射頻模塊初始化完畢,，SI1000進(jìn)入睡眠狀態(tài),，等待自報(bào)時(shí)間到時(shí)開(kāi)始進(jìn)行傳感器的測(cè)量。數(shù)據(jù)測(cè)量完后,，射頻模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)并執(zhí)行發(fā)送功能函數(shù)將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,，執(zhí)行發(fā)送功能函數(shù)時(shí)需要判斷發(fā)送是否成功，如果失敗,，則重發(fā),，直到發(fā)送成功或者超出重試次數(shù)才退出發(fā)送，SI1000重新進(jìn)入到睡眠狀態(tài),。
在無(wú)遮擋的開(kāi)闊地環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試,，無(wú)線(xiàn)采集單元可靠通信距離達(dá)到1 000 m；無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元平時(shí)工作電流僅為微安級(jí),，理論上使用1節(jié)電池便能維持其連續(xù)工作5年,，考慮到電源的損耗及電池本身老化的因素，無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元可在無(wú)市電的條件下可靠運(yùn)行3年,；使用SI1000實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)SoC片上系統(tǒng),，簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，也減小了整個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元體積,，增強(qiáng)了單元的可靠性和實(shí)用性,。
無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元為架空輸電線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)全新的解決方案，隨著智能電網(wǎng)的大力推廣和發(fā)展,，將得到更加廣泛的應(yīng)用,。另外，本單元的適用性很廣,，在無(wú)人值守,、沒(méi)有市電、短距離長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合尤為適用,。
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