基于无线传感技术的机场电力设备远程监控系统设计

官昕

民航浙江空管分局 杭州 311207

[摘要] 实现了一种基于无线传感技术的机场电力设备远程监控系统，适用于机场电力装备的远程监控，以保障机场电力设施安全稳定的运行。整个系统采取ZigBee技术进行系统设计，其中，硬件部分主要由CC2530单片机、RF收发器、AD转换模块构成。软件部分是对各采集装置进行实时监控的应用系统，可提供预警信息或故障报告，并可对电流采集的历史信息进行检索和分析。整个系统具有精度高，安全可靠，误报率低，操作维护方便等特点，能运用于机场系统电力设备中进行远程检测、监控与管理。

引言 目前，国内机场电力设备的监测设备基本采用传统方法，大多采用有线和固定采集装置组成监控网络。在监测数量多、面积不大的情况下，布置电缆多，作业环境复杂，敷设线缆成本高；有线网络因通讯节点多，容易因接触不良而产生电火花，导致事故发生。倘若断线将会对机场业务造成很大的影响，轻则影响航班的正常起降，重则影响飞行器的安全问题。近些年，随着无线通信的技术逐渐成熟，因其成本较低、布设简单、使用简单，在机场电力系统中的应用日渐增多。在一个较小的范围内，采用无线传感通讯技术，对多个电力设备或线路进行电流检测，实现近距离及远程的动态监控成为可能。所以此次设计实现了种基于无线传感技术的机场电力设备远程监控系统，系统采用ZigBee技术，每个传感器节点都能实现信息采集、数据处理和无线通信等功能，并通过无线通信方式组成网络，实现监测功能。

1 总体系统设计

机场电流监控系统包括多个电流采集检测点（用来检测通过装置的电流），1个协调器节点（放在接收装置上，用来接收各个节点检测到的通过电力设备的电流值），协调节点进行接收处理接收到的数据之后存储到数据库，而上位机软件则不仅负责接收电流数据，还能够将接收到的数据实时反映出来，方便值班人员数据的统计、分析。图1给出了目标系统的总体组成示意图。

图1 目标系统总体组成示意图

2采集装置设计

2.1 采集装置逻辑结构

待测量电源通过电流互感器将强电变为弱电，通过整流电流、滤波电路进行转换，再通过单片机上的ADC转换通道将所测得的模拟电气参数转换为数字电气参数，将转换后得到的数字电气参数通过单片机上的调制解调电路以及RF射频模块发送出去。

2.2 采集装置电路设计

数据采集模块最主要的目的就是将电力设备的一次电流采用电流互感器转换成单片机可以接收并处理的弱电，然后将数据处理等待发送，它为系统提供了进行处理和决策所必需的原始信息。根据本实验的测试电源的实际情况，最终决定选择的电流互感器型号为兵字公司的TA1419-04型号。额定输入为20A、额定输出为5mA，变比为4000:1，额定采样电压为4V，满足设计所需。表1列出了其具体参数。

表1 TA1419-04电流互感器参数

2.3 整流滤波部分设计

由于经过电流互感器得到的采样电压为交流电压，而单片机所能处理的电源信号为直流电压，故需再设计一个整流滤波电路部分。

图2 整流滤波电路

二阶有源滤波电路是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。低通同相比例放大的电压增益就是滤波器的通带电压增益，即：

此滤波电路的基本公式：

Q为品质因数，当Q=0.707 时，幅频响应曲线较为平坦。

w_c为截止角频率为100Hz，保证频率低于100Hz的信号成分通过，滤去高频，达到滤波的目的，所以将Q=0.707，w_c=100Hz带入上述公式可以得到

取R_f=560, R1 =1K，R=100K，C=0.1uF。

2.4 采集装置仿真

通过对输入信号和经过整流、变压之后的电源信号分别进行仿真，图3显示了使用软件仿真的结果。

图3 软件仿真结果图

通过输入波形、整流之后波形和滤波之后的波形对照（如图3所示，绿线为原始波形，蓝线为整流之后的波形，红线为滤波之后的波形）。可以直观的从图中看出整流之后的半波信号是输入正弦信号的负半周反转后得到，交流变成了直流；滤波之后纹波干扰变小，对直流输出影响变小，保证输出稳定的直流电压。

3接收装置电路设计

接收装置要完成的任务是首先建立ZigBee网络，在收到采集节点的入网请求之后，为每一个采集节点分配相应的网络地址，将其加入网络。在所有采集节点都加入到网络中，建立绑定表之后就开始收集各个采集节点采集的电源数据，并将收集到的数据传输至PC。

3.1 接收装置逻辑结构

接收装置通过RF射频模块接收到采集节点发送来的电源信号，并经过cc2530处理之后，通过DART转换接口将数据传输至PC。

3.2接收装置电路设计

3.2.1 接收装置电源电路设计

接收装置因为需要与PC通过USB线方式连接进行传输数据，所以接收节点无需给CC2530设计像采集节点一样的电池供电电路，而选择采用USB供电模式。

3.2.2串口电路设计

CC2530上有两组DART通信接口与外界进行通信，但是DART与PC电压不符，不能直接进行通信，故需设计一个串口转换电路。CH340是一个USB总线的转接芯片，能够实现USB转DART。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

本文在接收装置与PC进行连接时采取了有线连接方式。图4展示了接收装置通过CH340芯片与PC连接的具体电路图设计。

图4 接收装置电路图

4 功能设计与实现

4.1 实现方法

本系统实现过程中，采用 SQL Server 2008 作为后台数据库，Visual Studio 2010作为软件开发工具，C#程序设计语言作为主开发语言，基于 MVC 模式编程实现了每一个系统功能。

4.2 系统主界面

上位机系统包括信息管理、设备工作信息管理、阀值信息管理、采集记录管理、超限记录管理、分析记录管理、串口管理、电流折线图显示等8个模块。

4.3 监测数据采集

电源电流数据采集装置将电源电流传输 PC 以后，需要上位机进行读取串口信息，下面给了了读取串口数据的部分关键代码。

1．设置端口信息(获取端口值)。

string[] sSerials = SerialPort.GetPortNames()； //读取端口信息

if (sSerials != null && sSerials.Length > 0) //判断串口信息是否为空

cobSerial.Items.AddRange(sSerials)；

cobSerial.SelectedIndex = 0；//选择该串口

2．检测端口是否已与 ZigBee 协调器连接

spCurrent == null || !spCurrent.IsOpen

3．数据接收

……

byte firstByte = Convert.ToByte(spCurrent.ReadByte())； //按 byte 转换电源信息

int bytesRead = spCurrent.BytesToRead；//按位进行读取电源信息

byte[] bytesData = new byte[bytesRead + 1]；//每次读取增加 1bybe

bytesData[0] = firstByte；//从 0 开始

for (int i = 1； i <= bytesRead； i++) //设置一个数据读取的循环

bytesData[i] = Convert.ToByte(spCurrent.ReadByte())；//读取所有的数据

4.4 数据存储

在采集到串口数据之后，上位机系统需要对采集到的信号进行解析、标准化，将整理后的数据显示在表格或图形中，同时保存在后台数据库的采集表中。

4.5 数据显示

在接收到采集电流数据并保存到数据库的表中之后，可以随时从数据库表中提取出来显示在表格中、图形控件中。图5显示了以表格形式显示地址为 0x7970 的采集装置返回的电流。

图5 采集节点电源电流信息显示图

5 结束语

本文提出了一种基于 ZigBee 的无线电源电流监控系统设计方案。ZigBee 无线监控网络在电源电流监控中不受布线繁琐的影响，能灵活的设计监控系统，并且完全能满足电流电源的实时采集及显示，并可进行故障历史分析，这个特点对于机场而言，有极大的好处。

本设计利用 ZigBee 无线网络，选择 Z-Stack 网络架构设计无线电流监测系统，然后选取高度集成的片上系统 CC2530 芯片完成了电源电流采集节点和协调器节点的硬件电路设计，并在 IAR Embedded Workbench IDE 7.51 编译软件环境下完成了数据采集、传输的网络设计，本监控方案选取星形网络结构，将多个电源电流数据采集起来传输到上位机进行集中显示。

最后，设计了上位机系统，通过上位机进行实时显示电源系统的运行情况；可以通过设置阀值进行实时监控保护电流电源。同时实现了自动记录电源运行的异常状况，方便机场值班人员以及监控人员分析电源系统运行的历史记录，进行合理安排维修电源设备。