基于SI1000的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測單元的設(shè)計

藍(lán) 彥，孫 駿，曹翊軍，羅孝兵

（南瑞集團(tuán)水利水電技術(shù)分公司，江蘇 南京210000）

在架空輸電線路狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中，需要針對導(dǎo)線溫度、金具溫度、導(dǎo)線弧垂、絕緣子風(fēng)偏、覆冰厚度、微風(fēng)振動等參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測。由于各類參數(shù)的監(jiān)測單元安裝位置是在輸電線路上,因此要求其體積盡可能小、重量輕、安裝方便。由于針對線上取電，相關(guān)部門有嚴(yán)格的條件要求，因此必須考慮合理的方式來解決監(jiān)測單元的供電問題。針對以上的應(yīng)用場合，本文介紹了一種微功耗的無線監(jiān)測單元，采用了無線SoC片上系統(tǒng)的設(shè)計方案，使得其體積小、重量輕、功耗極低，僅使用電池供電，可以滿足監(jiān)測單元在長期無市電的條件下可靠正常工作。

1 工作原理

無線監(jiān)測單元工作原理框圖如圖1所示。

無線監(jiān)測單元安裝于架空輸電導(dǎo)地線上，負(fù)責(zé)各類傳感要素的測量，例如導(dǎo)線溫度、金具溫度、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線風(fēng)偏等。傳感器將采集到的電測量接入微控制器SI1000，經(jīng)SI1000處理后得到相應(yīng)的物理量，然后通過無線射頻接口RF發(fā)送到在線監(jiān)測單元。無線監(jiān)測單元的電源采用鋰電池供電，降低了監(jiān)測單元對外部電源的依賴性。在線監(jiān)測單元通過SI1000單片機的無線射頻接口接收來自無線監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，提供給遠(yuǎn)程主站，主站可對輸電線路運行狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)測。由于在線監(jiān)測單元的安裝位置不在架空線路上，其電源可通過多種方式提供。

每個無線監(jiān)測單元有自己唯一的ID，主站可通過該ID地址來識別線路傳感器的類型和位置。無線監(jiān)測單元采用自報的方式向主站系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，每隔一定的時間間隔向主站報送數(shù)據(jù)，平時無線監(jiān)測單元處于掉電狀態(tài)，因此無線監(jiān)測單元功耗很小，可長期在無外部電源的供應(yīng)下在線工作。

2 硬件設(shè)計

2.1 SI1000單片機功能特點

SI1000是一款微功耗、小體積并具備強大無線通信功能的51類型的單片機，作為無線采集單元的核心部件,負(fù)責(zé)采集傳感器的信號并通過無線射頻接口與主站通信。該芯片由美國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 μA左右的電流，僅內(nèi)部 RTC工作時，功耗為 0.6 μA。SI1000微控制器內(nèi)部使用四線制 SPI總線(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)行訪問，可以通過設(shè)置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發(fā)的各項參數(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，以滿足低功耗的應(yīng)用要求，不同模式之間通過寄存器設(shè)置可自由切換。具有FSK、GFSK、OOK等多種無線傳輸調(diào)制方式，最大輸出功率達(dá)到20 dBm，接收靈敏度為-121 dBm，點對點最大傳輸距離能到2 000 m。具有AFC自動頻率控制功能，有效減小由于晶體精度、工作溫度引起的頻率誤差。

圖1 無線采集單元工作原理框圖

2.2 電路原理

無線監(jiān)測單元的硬件電路原理如圖2所示，主要由電源、看門狗電路、無線射頻匹配電路、傳感器電路和SI1000單片機構(gòu)成。

圖2 無線監(jiān)測單元硬件原理框圖

其中，電源由鋰電池和3.3 V LDO線性穩(wěn)壓源組成，鋰電池輸出3.6 V電壓經(jīng)過3.3 V LDO轉(zhuǎn)換輸出3.3 V電壓，為整個無線采集單元電路供電。鋰電池體積小、便于安裝，重量輕，減輕了對輸電線路的承重，而且容量大，可滿足無線采集單元在輸電線路上長期監(jiān)測的用電要求。

看門狗電路的輸入與輸出均連接到SI1000單片機的外部引腳上，其輸入作為SI1000給它的喂狗信號，輸出作為SI1000的復(fù)位信號。SI1000必須間隔一定時間喂狗，否則超出給定間隔時間后，看門狗將會輸出復(fù)位信號使SI1000復(fù)位?？撮T狗電路的主要作用是為了避免無線監(jiān)測單元長期工作在無人值守的惡劣環(huán)境下意外出現(xiàn)死機現(xiàn)象，保證了單元長期運行的可靠性。

射頻阻抗匹配電路為SI1000單片機內(nèi)部射頻模塊的外圍匹配電路，它與射頻模塊的收發(fā)信號相連接。匹配電路中的電阻、電容、電感參數(shù)與無線收發(fā)頻率相關(guān)，需根據(jù)無線頻率大小來匹配相應(yīng)的參數(shù)值。

JTAG是SI1000單片機程序仿真下載接口。用戶可通過該接口將應(yīng)用程序代碼下載到單片機的內(nèi)部存儲空間，并進(jìn)行在線仿真調(diào)試。

傳感器電路負(fù)責(zé)將架空輸電線路的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號接入到SI1000單片機，例如本設(shè)計中的溫度傳感器，其將感知的導(dǎo)線溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過數(shù)字接口接入到SI1000單片機。

2.3 射頻電路PCB板布線原則

無線監(jiān)測單元的射頻電路部分為高頻電路，PCB板布線是否合理直接影響到整個無線監(jiān)測單元的通信性能。在PCB板設(shè)計時，射頻收發(fā)電路平行直線布置，不能出現(xiàn)折彎甚至是交叉；射頻電路底層不能走信號線；低頻電路部分與射頻部分電路整體分開布置，數(shù)字地和模擬地之間使用磁珠隔離，并做到一點連接；射頻電路的地線使用大面積敷銅，接地點使用過孔直接連接到敷銅地，盡量減少對地阻抗；使用多層板進(jìn)行PCB板布線，SI1000芯片底面接地點使用大過孔直接與多層的敷銅地連接。

3 軟件設(shè)計

無線監(jiān)測單元軟件主要實現(xiàn)的功能有兩個：(1)通過傳感器采集線路上的模擬量數(shù)據(jù)；(2)將采集得到的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送到主站。相對來說，數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計較為簡單，下面重點介紹無線傳輸部分功能的軟件實現(xiàn)。

3.1 無線通信規(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、報文長度、CRC校驗為數(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，可看作整個無線通信幀的起始標(biāo)志，8 bit為 1 B，字節(jié)長度設(shè)置范圍為1～256。同步字為無線數(shù)據(jù)開始接收的時鐘同步標(biāo)志，長度可設(shè)置為1 B～4 B。

圖3 無線通信IEC模型

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接收設(shè)定的同步字，在同步字接收成功后，開始源地址和目的地址的接收。

源地址由4 B寄存器組成，可作為無線監(jiān)測單元的地址匹配接收，源地址的每一位可以與無線監(jiān)測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，可用于存儲無線監(jiān)測單元將要發(fā)送的目的地址。無線通信幀發(fā)送時，硬件將其自動添加到該幀中并發(fā)送。

報文長度存儲了發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)長度,最大255 B。

CRC校驗為曼徹斯特循環(huán)冗余校驗碼，包括了從地址、報文長度、數(shù)據(jù)等三層的數(shù)據(jù)校驗。

3.2 無線傳輸機制

無線監(jiān)測單元的射頻傳輸采用了載波偵聽/沖突檢測隨機避讓機制(CSMA/CD)，使用該機制避免了無線通道在不同節(jié)點互用時的沖突。流程圖如圖4所示。

在使用該機制時，必須先使能SI1000發(fā)送控制寄存器中的LBTEN位。無線傳輸前，先監(jiān)聽0.5 ms，如果在這段時間無線通道是空閑的，通道空閑的檢測由RSSI接收信號能量監(jiān)測器來完成，當(dāng)接收信號能量小于某一門檻值時，RSSI將指示無線通道處于空閑狀態(tài)。然后繼續(xù)監(jiān)聽4.5 ms，如果無線通道仍然空閑，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如果在4.5 ms期間，無線通道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽5 ms再加上一個隨機時間，隨機時間TPS=n×LPTI[6:0]，其中n為硬件自動產(chǎn)生的范圍從 0～15隨機數(shù)，LPTI是無線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)間隔時間寄存器。監(jiān)聽期間，如果無線通道空閑，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，否則判斷監(jiān)聽次數(shù)是否小于設(shè)定的最大監(jiān)聽次數(shù)，如果小于則重新開始監(jiān)聽，否則返回通道發(fā)送錯誤信息。

圖4 無線監(jiān)測單元射頻收發(fā)機制

3.3 無線監(jiān)測單元工作流程

無線監(jiān)測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處理器能對射頻模塊進(jìn)行參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的讀寫，函數(shù)原型如下：

然后需要通過EZRadioPRO協(xié)議棧的EZMacPRO_Init()函數(shù)來初始化射頻模塊的基本參數(shù)和功能，函數(shù)原型如下：

圖5 無線監(jiān)測單元工作流程圖

射頻模塊初始化完畢，SI1000進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待自報時間到時開始進(jìn)行傳感器的測量。數(shù)據(jù)測量完后，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)。

在無遮擋的開闊地環(huán)境下進(jìn)行測試，無線采集單元可靠通信距離達(dá)到1 000 m；無線監(jiān)測單元平時工作電流僅為微安級，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，無線監(jiān)測單元可在無市電的條件下可靠運行3年；使用SI1000實現(xiàn)的無線SoC片上系統(tǒng)，簡化了外圍電路設(shè)計，也減小了整個無線監(jiān)測單元體積，增強了單元的可靠性和實用性。

無線監(jiān)測單元為架空輸電線路狀態(tài)監(jiān)測提供了一個全新的解決方案，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，在無人值守、沒有市電、短距離長期監(jiān)測的場合尤為適用。

[1]架空輸電線路智能監(jiān)測裝置通用技術(shù)規(guī)范，2010.

[2]莊雄，楊永明，丁唯.基于 CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,34(6):98-101.

[3]單海東，盧東貴.基于Si1000無線微控制器的無線射頻測[J].自動化系統(tǒng)工程，2010(8):120-122.

[4]SILICON LABS Si1000/1/2/3/4/5 datasheet[EB/OL].[2010].https://www.silabs.com/support/pages/contacttechnicalsupport.aspx.

[5]SILICON LABS EZMAC AND EZHOP USER’S GUIDE datasheet[EB/OL].[2010].https://www.silabs.com/support/pages/contacttechnicalsupport.aspx.