賴聲鋼

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，510380，廣州∥工程師）

地鐵供電系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)離不開高質(zhì)量的檢修作業(yè)，而檢修過程中的人為誤操作是導(dǎo)致電力事故的主要原因。目前，地鐵變電站普遍采用微機(jī)防誤操作系統(tǒng)來避免變電站在運(yùn)行、檢修、維護(hù)過程中由于人為誤操作所導(dǎo)致的電力事故［1］。傳統(tǒng)微機(jī)防誤操作系統(tǒng)存在離線操作和走空程等問題，電腦鑰匙在接收到操作票后只能嚴(yán)格按照既定的順序操作，若操作過程中相關(guān)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化而電腦鑰匙無法獲知時(shí)，就會(huì)給操作帶來很大的安全隱患，無法從根本上做到防止誤操作［2］。針對(duì)傳統(tǒng)微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS與Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)的在線式防誤閉鎖方案，利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)防誤系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線工作。在線式微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)可以充分發(fā)揮GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)和ZigBee技術(shù)自動(dòng)組網(wǎng)、時(shí)延短、容量大的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)無需布線、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且永久在線［3］，具有較好的實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的在線式微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)距離無線傳輸，采用Zig－Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線工作。ZigBee是一種基于IEEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、近距離、低傳輸速率、低功耗、低成本且數(shù)據(jù)可靠性高的雙向無線通信技術(shù)［4］，支持星（Star）形、樹（Tree）形和網(wǎng)狀（Mesh）3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于地鐵變電站內(nèi)設(shè)備雜多、環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾、障礙物等因素會(huì)影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離和通信質(zhì)量，故本方案采用樹（Tree）形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過路由節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器的遠(yuǎn)距離通信。

本系統(tǒng)由站控層、間隔層和過程層3部分組成（見圖1），包括防誤主機(jī)、操作票專家系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、智能鎖具等部分。進(jìn)行倒閘操作時(shí)，操作人員首先在防誤主機(jī)上通過操作票專家系統(tǒng)軟件對(duì)將要進(jìn)行的操作進(jìn)行模擬預(yù)演，操作過程經(jīng)模擬預(yù)演無誤后生成操作票，操作人員嚴(yán)格按照操作票的操作流程通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能鎖具進(jìn)行控制，然后才能執(zhí)行相應(yīng)倒閘操作。終端節(jié)點(diǎn)通過智能鎖具采集現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備狀態(tài)，并將采集到的設(shè)備信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)負(fù)責(zé)接收路由節(jié)點(diǎn)下發(fā)的命令，來控制智能鎖具的打開或閉合。路由節(jié)點(diǎn)通過功率放大和多級(jí)跳變的方式將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)也負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器下發(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)到終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總與處理，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與防誤主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)采用ZigBee通信模塊與路由節(jié)點(diǎn)及智能鎖具通信，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行近距離無線通信，通過USART接口與智能鎖具進(jìn)行有線通信，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能鎖具用于鎖定現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備，授權(quán)通過后才能打開鎖具操作現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備。終端節(jié)點(diǎn)用于實(shí)時(shí)采集智能鎖具閉鎖的斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、網(wǎng)門、地線等地鐵變電站現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備的狀態(tài)信息［5］，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將一次設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)，并接收路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的控制命令，通過智能鎖具實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備的解/閉鎖控制。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee通信模塊選用TI公司推出的CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片內(nèi)部有1個(gè)2.4 GHz的高性能DSSS射頻收發(fā)器核心和1個(gè)工業(yè)級(jí)8051控制器，內(nèi)部固化ZigBee協(xié)議棧，通過USART串口即可與智能鎖具進(jìn)行通信。CC2530芯片內(nèi)部具有發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)電路，天線的接口及匹配很容易實(shí)現(xiàn)。本方案采用偶極天線，不需要使用不平衡變壓器就可以方便地與系統(tǒng)連接。λ/2偶極天線長(zhǎng)度可由下式給定：

式中：

f——頻率，MHz；

l——天線長(zhǎng)度，cm。

2.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

受限于ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離、應(yīng)用環(huán)境的信號(hào)干擾及終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多等因素，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器無法與站內(nèi)所有的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，必須通過路由節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)。理論上可以采用足夠多的路由節(jié)點(diǎn)通過多跳傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的通信，但在實(shí)際應(yīng)用中由于網(wǎng)路規(guī)模較大，會(huì)造成成本增加和硬件資源的浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)通過增大發(fā)射功率的方式來增大ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信距離。圖3為路由節(jié)點(diǎn)的電路圖。

由圖3可知，在設(shè)計(jì)路由節(jié)點(diǎn)時(shí)仍選擇CC2530芯片作為核心，采用CC2591芯片增大ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率，這樣可以在一定程度上增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離，減小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，降低系統(tǒng)成本。在設(shè)計(jì)路由節(jié)點(diǎn)時(shí)采用CC2591射頻（RF）功率放大模塊可以將ZigBee收發(fā)器的輸出功率提高約+22 dB·m，接收靈敏度提高約+6 dB［6］，還可以簡(jiǎn)化射頻電路的設(shè)計(jì)。路由節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，采用射頻（RF）功率放大模塊CC2591作為信號(hào)放大器件，再加上ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸接力特性，就可以以較小的規(guī)模將整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋至整個(gè)地鐵變電站。

2.3 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的樞紐和核心，主要負(fù)責(zé)GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，向上通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與防誤主機(jī)遠(yuǎn)距離通信，向下通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點(diǎn)通信。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器由微處理器、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 路由節(jié)點(diǎn)硬件電路

圖4 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee通信模塊仍然選用CC2530芯片設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、允許路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)及維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，具有管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能。GPRS通信模塊主要用于與防誤主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率快、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力強(qiáng)及覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，可以充分保證防誤閉鎖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。GPRS通信模塊選用SIEMENS公司推出的MC55芯片，芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，通過AT指令操作就可以實(shí)現(xiàn)GPRS與防誤主機(jī)建立基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)連接。微處理器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總與處理及通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，對(duì)芯片數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力及存儲(chǔ)空間要求比較高，本設(shè)計(jì)選用S3C2440A芯片作為網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器主控單元。該芯片主頻處理速度可高達(dá)533 MHz，具有4通道DMA控制器和3通道的UART接口，可以方便地與GPRS芯片和ZigBee芯片通信。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示。其主要任務(wù)是加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)、采集并發(fā)送數(shù)據(jù)及接收路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的命令。節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行硬件初始化以及協(xié)議棧初始化，對(duì)寄存器、工作模式、參數(shù)等完成設(shè)置后向路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)加入網(wǎng)絡(luò)的先后順序?qū)⒌刂穳K中的16位短地址分配給終端節(jié)點(diǎn)，這樣終端節(jié)點(diǎn)便加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)借助周期性監(jiān)聽無線通道來確定是否有報(bào)文等待處理，在完成上傳終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和接收路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，終端節(jié)點(diǎn)大部分處于休眠狀態(tài)，2節(jié)5號(hào)干電池即可工作6個(gè)月到2年。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器主要用于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)和命令的上傳與下發(fā)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立及路由節(jié)點(diǎn)的加入、數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧來組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行協(xié)議棧和外部設(shè)備初始化，通過調(diào)用aplFormNetwork()函數(shù)來建立網(wǎng)絡(luò)。ZigBee路由器上電后掃描信道，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)后，通過aplJoinNetwork()函數(shù)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器接收到申請(qǐng)后分配給路由器一個(gè)包含若干16位短地址的地址塊，這樣ZigBee路由節(jié)點(diǎn)便加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中［7］。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收防誤主機(jī)下發(fā)的命令與數(shù)據(jù)，經(jīng)過微處理器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)下發(fā)至終端節(jié)點(diǎn)。另一方面，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收到路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過微處理器模塊的數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至防誤主機(jī)。流程圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器程序流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地鐵變電站內(nèi)的通信質(zhì)量，進(jìn)而確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠通信距離，有必要在變電站內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)。Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)中，鏈路質(zhì)量（QLQI）計(jì)量的是所收到包的強(qiáng)度和質(zhì)量，而信號(hào)接收強(qiáng)度（SRSSI）通常被作為鏈路質(zhì)量的評(píng)定指標(biāo)［8］。SRSSI值的大小可以反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，SRSSI值與QLQI值之間的關(guān)系滿足：

本次試驗(yàn)選擇在杭州地鐵1號(hào)線主變電所內(nèi)進(jìn)行，采用2個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)用CC2530模塊作為終端節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)用CC2530+CC2591模塊作為路由節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)均采用3.3 V直流供電，發(fā)送功率為0 SRSSI。發(fā)送節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送200個(gè)數(shù)據(jù)包，接收節(jié)點(diǎn)每次接收到數(shù)據(jù)包都會(huì)統(tǒng)計(jì)信號(hào)質(zhì)量，通過讀取SRSSI值的個(gè)數(shù)就可以間接得到收包數(shù)［9］。表1為2個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔不同距離下SRSSI與QLQI的值。分析表1可知，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)通信距離大于130 m時(shí)QLQI小于50，丟包率較大。因此，為保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地鐵變電站內(nèi)的通信質(zhì)量，終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的通信距離應(yīng)小于130 m。

表1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信SRSSI與QLQI值

5 結(jié)語

本文以CC2530和CC2591芯片為核心，完成了ZigBee現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)無線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的搭建，并基于MC55芯片實(shí)現(xiàn)了信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)了地鐵變電站現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程檢測(cè)與控制，有效地解決了傳統(tǒng)微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)離線操作、走空程及操作繁瑣等問題，從根本上做到防止電氣誤操作。通過實(shí)地測(cè)試，對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地鐵變電站內(nèi)的傳輸質(zhì)量和傳輸距離進(jìn)行了評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)在地鐵變電內(nèi)的布置給出了小于130 m的參考距離。該在線式微機(jī)防誤操作系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、永久在線、功耗較低的優(yōu)勢(shì)，可以極大地提高地鐵變電站防誤閉鎖裝置的可靠性和實(shí)時(shí)性。

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