基于Zigbee的低压设备能耗与谐波监测节点设计.pdf

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1、第10期总第220期农业科技与装备N0．10Tota1N0．2202012年10月Agricultur~Science&TechnologyandEquipmentoct．2012基于Zigbee的低压设备能耗与谐波监测节点设计吴迪迪，窦文雷，王海鳌。(1．沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳110866；2．辽宁省电力公司发展策划部，沈阳110008；3．沈阳农业大学基建处，沈阳110866)摘要：为了对智能楼宇内用电设备所产生的功耗及谐波污染情况进行监测，进而为智能楼宇降低功耗、提高用电效率提供参数依据．设计了基于Zigbee无线网络的功耗与谐波监测节点。该节点由电力监测模块和Z

2、igbee网络模块组成，二者分别实现信号的检测和传输功能，共同构成一个完整的监测节点。主要介绍Zigbee网络的构建和电力监测方法，设计基于三星$3C2410嵌入式处理器的谐波与功耗监测模块，论述Zigbee网络模块的软硬件设计并建立星型网络连接。经试验检测，设备可监控和累计用电设备的电能损耗及谐波污染情况，并通过Zigbee无线网络将数据发送至上位机。关键词：能耗与谐波监测：ARM；Zigbee；电能质量中图分类号：TM76文献标识码：A文章编号：1674一l161(2012)10—0044—03智能楼宇是一种注重节能环保，而且对自动化、者的通信由串口完成。智能化程度要求较高的新型

3、建筑形式。这种建筑对用2系统硬件设计电设备的绿色环保和高效使用要求较高。因此，需要数据监测模块利用电压、电流互感器从现场感知对建筑内部用电设备的功耗及谐波污染情况进行监信号，并通过调理电路(电压／电流检测，信号放大，抗测，以便随时掌握其电能损耗和电力干扰情况，为其混叠滤波)将信号调整到后续电路能接受的范围，然节能改造工程提供参数依据。在此情况下，设计了基后由控制分析电路对监测模块采集到的信号进行处于Zigbee的无线功耗与谐波监测节点。该节点为分理。布式信号采集节点。可分别插在不同的电源插座上与Zigbee网络模块设计采用底板和射频板分离的用电器相连，并同时进行监测。监测结果通过无线

4、方方式，在底板上设计各种功能外设，在射频板上完成式发送至上位机，并进行显示。采用Zigbee网络模块主芯片的配置和微带线设计。不同模块间的连接关系进行信号传输，单点覆盖距离为50—100Ill，且可根据如图1所示。覆盖面积增加协调器的数量。网络节点数理论上可达1000个，实现对监测区域的全面覆盖。1节点整体设计方案监测节点由监测模块和Zigbee网络模块组成。其中，监测模块对电压、电流有效值，功率，电量和20次以内的谐波含量信息进行采集和处理，并对检测到的数据进行分析，对超标的数据发出报警提示。由于采集谐波信号时，需要大量的采样点数和快速的运算图1功能模块连接图速度，因此系统采用FF

5、T运算方法结合汉宁窗函数Figure1Connectionchartoffunctionalmodule和双锋谱线插值修正算法对运算结果进行修正，信号2．1功耗与谐波监测模块采集精确度高。硬件由调理电路、频率跟踪电路和锁检测模块电路主要包括电压、电流互感器．信号相环同步电路等组成。Zigbee网络模块由底板和无线调理电路，频率跟踪电路，锁相同步电路，按键部分电射频发送模块两部分组成，具有信息无线发送功能。路及各种接口电路等。为方便节点升级，单独设计监测模块和网络模块，二2．1_1微控制器中央处理器为韩国三星电子公司的$3C2410。该处理器基于ARM920T内核，主频200MHz，5

6、级流水线．支持32位ARM指令集和l6位收稿日期：2012—08—08作者简介：吴迪迪(1986一)，男，硕士，从事物联网技术在电力Thumb指令集：内核电压1．8V．平均功耗0．7MW／MHz，监测中的应用研究。主要面向手持式设备及高性价比、低功耗的应用。该2012年第10期吴迪迪等：基于Zigbee的低压跹设备能臼2耗与谐波监测节点设计45芯片主要对监测模块采集到的信号特征量进行统计频输出电路，CD4046的AIN输入信号为电网周期信评估，实现电网谐波状况诊断。号，BIN输入信号为反馈信号。当BIN反馈信号的频2．1．2信号调理电路信号调理电路主要包括电压检率低于AIN输入信号时

7、，Vcout输出信号的频率将不测电路、低通滤波电路和电平偏移加法电路，其电路断提高，直至BIN反馈信号的频率和AIN的输人信如图3所示。号频率相等。从图3可知，BIN信号由AIN信号经过信号采集和调理模块主要包括电流型电压互感128分频所得。当BIN反馈信号和AIN输入信号同步器和电流互感器，对电压和电流进行采集。同时，为了时．Vcout输出频率正好为输入信号频率的128倍，便于频率监测，设计了测频电路。当采样频率不能满完成倍频工作。足奈奎斯特采样定理时，