无线传感器网络在配电设备监控中的应用研究

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1、无线传感器网络在配电设备监控中的应用研究郭魏，胡仁杰，蒋玮（东南人学电气工程学院，南京210096）摘要：为了满足配电设备在线监控中监测系统小型化、低功耗、低成本等条件，文章设计并实现了一种基于IEEE802.15.4的用丁•配电设备检测的低功耗无线传感器网络系统。文中着重介绍了网络节点电路结构，软件协议平台设讣以及系统低功耗策略。通过在线温度监控系统町以评佔设备为前状况和检测设备的界常，述可以帮助调整设备的技术规范和等级，确定被监控设备的实际限度，优化操作。关键词：无线传感器网络，MSP430，低功耗，配电设备，温度传感器1.引言电厂设备监测系统为电厂监控系统提供现场设备的各种

2、参数、数据、开关量和模拟量等信息，根据这些信息分析设备状态、执行开环、闭环控制与调节，対设备故障和事故进行报警和相应处理，保证设备最优运行状态。通过在线温度监控系统可以评估配电设备当前状况利检测设备的异常，还可以帮助调整设备的技术规范和等级，确定被监控设备的实际限度，优化操作。无线传感器网络技术具有实时性好、低功耗、准确性高、成本低等特点，因此十分适合丁•配电设备的监控应用。木文研究一种配电设备在线检测的微型无线传感器网络实验系统,以T1公司的MSP430F169微控制器和CC2420无线射频芯片为基础进行了无线传感器网络节点祕件的开发。文中描述了便件设计H标、设计思路和关键模块

3、的实现；软件协议平台的实现；换件和软件的低功耗设计。2.监测系统硬件设计2.1监测系统分析通过温度监控和数据分析，得到了设备正常运行情况卜的温度分布和各相电流与温度的对应关系。通常，A相、B相、C相Z间的温度差异在5°C〜10°CZ间。当在某相电流影响下发生热异常时，会导致热量分布发牛偏移，如图1所示。A相引起的温度上升伴随着C相上温度的改变，这样，上端的导向盘比卜端的温度更高，而在正常情况下则相反。这样，就可以实现分布式配电设备的在线监控和诊断。图1：A相引起的热异常下温度分布2.1系统总体分析该系统由女装在4个中压断路器的6个导向盘中的无线温度传感髀节点组成。无线传感器节点的

4、位置和温度信息通过无线传感器网络传送到控制室，系统拓扑结构如图2。山无线传感自组网纟I［成的温度监控和分析系统，町以极大地提高设备的可靠性，降低设备受损率和维护工作。温度传感器传感器温度传感器7^TVXz中压断路器其他测控对象导向盘图2：检测系统拓扑结构2.2节点总体设计硬件系统包括网关节点和传感器节点。为了节约成本以及便丁•节点角色更改，网关节点与传感器节点采用相同的PCB设计，传感器节点与汇聚节点的区别体现在软件以及去除不必要的外围电路1二。传感器节点的慕本功能模块有处理器模块、无线通信模块、传感器模块、电源模块和其他外围模块。为了捉高系统的可扩展性和可靠性，传感器模块和无线

5、通信模块均采用子母板设计方式，将无线通讯模块和传感器单独置于子板上，通过通用扩展接口插槽与母板连接。网关节点采用USB接口与上位机通讯，实现实时获取网络拓扑结构、传送上位机查询命令和传感器节点的获取数据的功能。图3：传感器节点总体设计框架2.3处理器模块就低功耗而言，MSP430FlxxMCU系列表现非常突出。处理器模块选用了TI公司的微处理器MSP430F169。它提供业界较低的电流消耗,工作电压为1.8V,实时时钟待机电流的消耗仅为1.1UA,而运行模式电流低至300uA,从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6uso对满足系统实时性高和低功耗的要求。MSP430F169有6个工作

6、模式，在空闲(IDLE)模式时，CPU与内部时钟隔离,然而屮断系统、定吋器仍然工作，这吋消耗很小的电流，一般在微安数量级，因此对以满足系统的长期监测要求。2.4无线通信模块本文选用Chipeon公司的CC2420芯片实现无线通信功能。CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持，数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料，这些特点减少主控制器的工作量，使CC2420可与低成本微处理器相接。CC2420的射频信号采用差分方式，其最佳差分负载是115+J180Q,阻抗匹配电路需要根据这—•数值迓行调整。木设计采用50欧姆单极子犬线，阻抗匹配电路釆用

7、巴伦(BALUN)。巴伦电路市成本低廉的电感和电容构成，其中电感还为芯丿丫内部的低噪声放大器和功率放大器提供直流偏置。MSP430F169CC2420MOSI►SIMISOVSOSCKSCLKSTEVCSnP2.0+FIFOPP2.1VFIFOP2.2VCCAP2.3V—SFDP2.4►RESETnP2.6—►VREGEN图4MSP430与CC2420接口CC2420通过一个简单的4线SPI兼容接口(引脚SI、SO、SLK和CSn)实现其配置。CC2420为SPT通讯的从设备。读