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1、Microcomputer Applications Vol.25,No.12,2009 开发应用 微型电脑应用 2009 年第 25 卷第 12 期 31文章编号：1007-757X(2009)12-0031-04 一种风光互补发电无线监控技术的研究与实现 冯祖莹，田作华 摘 要：文章针对风光互补发电系统存在距离偏远、运行时间长以及蓄电池使用寿命短等问题，将无线传感器网络技术融入监控系统中，设计出一种基于MSP430F149单片机与CC1100射频芯片的无线传感网络智能节点。重点介绍了系统各个模块的硬件设计，软件设计和节点性能测试。实际应用于风光互补发电系统的无线监控，满足了低成本、低功耗、
2、使用方便、稳定性高和抗干扰的要求，取得了良好的效果，有广泛的应用前景。关键词：风光互补发电；监控系统；无线传感；MSP430；微功耗 中图分类号：TN92 文献标志码：A 0 引言 随着现代工业技术的发展和人们生活水平的提高，要求供电必须更加稳定、可靠。偏远地区一般用电负荷都不大，用电网送电成本高不合理，独立供电系统就成为人们最需要的电源。部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、水文监测站以及偏远的农牧民都需要低成本和高可靠性的独立电源系统。节能环保是当前能源发展的重要方向。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生绿色能源，可以用来直接发电
3、。它们在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，成为资源条件最好的独立电源系统，可以根据用户的用电负荷情况和资源条件对系统进行容量的合理配置，可独立使用，也可并网。这样保证了系统供电的稳定性和可靠性。但是风光互补发电基站的距离偏远，交通困难；运行时间长久，而蓄电池使用寿命短；需要对风光互补发电实时状态和运行参数，逆变器负载变化，蓄电池充放电，是否过充过压，风机运行情况进行监控报警和有效管理，与电网调度自动化系统进行实时和有效的信息交换，优化电网操作，提高安全稳定性，实现发电基站无人值班。同时也降低基站的运行维护成本，提高系统的经济效益，改善电网的管理水平。风光互补发电系统自动
4、监测和无人值守成为当今电力自动化领域的热门课题，需要采用无线低成本和稳定的通信方式。而无线传感器网络技术被认为是21世纪最重要的技术之一1，通信的节点具有高稳定性、超低功耗和体积小等特点，侧重于节点的超低功耗和体积微型化设计2，因此风光互补发电采用现代无线传感技术进行监控。传统的无线传感器网络节点基本上都采用传统通用处理器（如MCSSI）作为控制核心，并没有针对其应用特点进行专门的设计考虑，无论是处理器的指令系统还是其计算存储资源都存在或多或少的冗余。TI公司的MSP430单片机不仅体积小，而且功耗极低，适合长时间工作。因此，利用MSP430系列处理器作为无线传感节点控制中心是理想的选择。1
5、风光发电无线传感节点的硬件设计 节点的无线通信系统硬件仅由必须的微处理器控制模块、射频收发模块、天线及电源转换模块组成。硬件设计的重点在微处理器控制模块和射频模块，希望节点具有低功耗、稳定性和传输协议透明通用等特点，使系统可以使用电池工作两年或更长时间。在电池所提供能量有限的情况下，降低系统工作的能耗成为实现此目标的方法，因此在硬件设计的每个模块中都竭力贯穿低功耗思想。1.1 微处理器控制模块设计 微处理器控制模块的设计主要考虑到系统工作的低功耗要求，选用了TI(Texas Instrument)公司的MSP430F149作为控制器。MSP430F149的FLASH空间为60K，可以满足系统开
6、发的需要，并且为后续程序的升级保留一定空间。MSP430系列单片机是一种16位具有精简指令集超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，使其具有强大的处理能力、极低的功耗、Flash存储器、丰富的片内外设和灵活的开发手段，在系统设计和开发调试等应用中都表现出方便、廉价和实用等优点3，4。微处理器控制模块主要包括MSP430F149芯片以及外围接口电路，其主要任务是对传感器的输入信号进行处理，控制无线电的收发以及系统功耗的管理等。图1为硬件系统 作者简介：冯祖莹（1984-），女，江苏南京人，上海
7、交通大学电子信息与电气工程学院自动系，硕士研究生，研究方向为智能控制技术的理论应用，上海，200240；田作华（1946-），男，江苏盐城人，上海交通大学电子信息与电气工程学院自动系，教授，博士生导师，研究方向为控制系统远程故障诊断、智能控制技术的应用与研究，上海 200240 Microcomputer Applications Vol.25,No.12,2009 开发应用 微型电脑应用 2009 年第 25 卷第 12 期 32结构框图，其中虚线内部为控制模块。图2为微处理器控制模块原理图。控制模块与无线射频模块通过SPI接口通讯，通过RS232串口与PC机通讯，使用GPIO或者I2C与其
8、他传感器进行通讯。考虑到本节点接入通用电源+5V，而MSP430信号处理器适用电源是1.8-3.6V，通信射频芯片CC1100适用电源同样也是1.8-3.6V，采用Sipex公司AS1117M3芯片将5V转换为本节点芯片通用电源3.3V。图1 硬件系统结构框图 图2 微处理器控制模块原理图 串口通信大大方便了节点模块与PC机的通信，在前期调试开发和利用PC机读取FLASH数据有重要的作用。在低功耗设计思想的指导下，选用Sipex RS232芯片。在无数据传输时，它可以自动进入睡眠模式。串口通信电路如图3。控制模块芯片MSP430F149采用外接32.768M晶振构成其时钟电路，如图4。图3 串
9、口通信电路原理图 图4 MSP430F149时钟电路 1.2 无线通信射频模块设计 无线通信模块用于传感器节点之间以及传感器节点与汇聚节点之间的数据通信。射频芯片是整个节点最核心的部分，直接关系到读写距离和可靠性，同时也直接影响整个系统的功耗。本设计选用TI/Chipcon公司的CC1100芯片作为无线收发前端。CC1100是Chipcon公司推出的单片UHF无线发射芯片，体积小，功耗低，具有很高的集成度，非常适合在低功耗遥感勘测、工业监测和控制和无线传感器网络等领域应用。CC1100的RF收发器集成了高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率可达500Kbps，为数据包处理、数
10、据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激活提供广泛的硬件支持，使其更加适用于无线环境恶劣的地方。其工作电压范围为1.93.6V，具有两种低功耗工作模式：关机模式和空闲模式，在关机模式下工作电流小于200nA。本设计中CC1100工作在433MHz的频率上，采用FSK调制方式，数据速率为100kbps，信道间隔为200kHz。CC1100从天线接收到射频信号，首先经过低噪声放大器，然后正交下变频到2MHz的中频上，形成中频信号的同相分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器ADC转换成数字信号。后继的处理，如自动增益控制、最终信道选择、解扩以及字节同步等，都以
11、数字信号的形式进行处理。无线射频芯片CC1100与微处理器MSP430F149通信是通过一个4线SPI总线接口(SI，SO，SCLK和CSn)来实现的，SPI接口电路示意图参见图5。Microcomputer Applications Vol.25,No.12,2009 开发应用 微型电脑应用 2009 年第 25 卷第 12 期 33 图5 CC1100与MSP430F149接口示意图 这个接口可以同时用作写和读缓存数据，完成设置和收发数据两方面的任务。SPI接口上所有的地址和数据转换被最先处理，这些处理都包含一个读/写位，一个突发访问位和一个6位地址的头字节一起作用。在地址和数据转换期间，
12、CSn脚（芯片选择，低电平有效）必须保持为低电平。另外，CC1100还提供控制输出脚GDO0和GDO2供选用。GDO0的作用是当接收到报文的时候由低置为高，GDO2的作用是当开始发送报文时由低置为高，这两个接口给单片机提示报文的接收与发送是否完成。射频电路主要负责无线数据的收发，考虑到通信稳定性以及设计的简便，使用无线收发芯片CC1100设计出节点的射频电路，见图6。图6 无线通信射频模块原理图 2 无线传感节点的软件设计 微处理器MSP430F149(MCU)发送程序流程图如图7(a)所示，当系统重启或者修改设置时，系统上电完成初始化操作，进入低功耗模式3。当MCU检测到发送请求命令时被唤醒
13、，进入发送请求中断模式，选通CC1100并配置，准备数据包并写入FIFO。发送成功后，CC1100和MCU重新进入低功耗模式。微处理器MSP430F149(MCU)接收程序流程图如图7(b)所示，当重启或者修改系统设置时，系统上电完成硬件初始化操作进入低功耗模式3，只在系统检测到正确的接收请求命令时才会唤醒MCU进入工作模式处理中断。判断是否存在FIFO溢出，无效包长，CRC检验等情况决定进入发送重发还是数据包已接收中断，从而完成对信息或数据的接收采集处理。(a)发送程序流程图 (b)接收程序流程图 图7 发送及接收程序流程图 当处理结束立即返回低功耗模式3等待下一个中断到来。MCU接收采集到
14、传感器检测的风光互补发电的数据进行处理后，由串口通信发往主机(PC)。在无线传感网络中，CC1100芯片主要是用来完成数据的无线发送，如图8。进行数据发送前，CC1100芯片首先执行SIDLE滤波命令强制芯片进入空闲状态，接着发送SFTX命令清空TXFIFO缓冲区，发送数据包时通过SPI接口对TXFIFO缓冲区写缓冲地址，然后设置单次发送的数据个数，再依次写入要发送的数据到TXFIFO，数据自动加前Microcomputer Applications Vol.25,No.12,2009 开发应用 微型电脑应用 2009 年第 25 卷第 12 期 34导码和CRC校验。数值写入完成之后通过ST
15、X命令进行数据发送，等到SPI状态变为空之后发送结束。图8 CC1100数据发送流程图 3 节点实现与性能测试 在实际应用中，节点的无线通信距离对整个无线传感器网络的性能有很大影响。如果两个节点因为距离太远而不能通信，那么就要增加新的节点或者让别的已有节点充当中间节点。针对自行设计的传感器节点，在最大的发射功率下(10dBm)，进行无线通信距离的测试，如表1所示。表1 节点发射距离测试 条件限制 非密封 密封于 纸袋 密封于 金属盒 通信距离（m）380 360 100 从表1中可以看出，节点的通信距离令人满意。电路板的布线格局直接影响到射频模块的通信性能，即模块的发射功率，从而影响整个节点的
16、性能。采用信号发生器连续发送5000个数据，无线传感器节点接收并转发，通过用无线通信分析仪对节点在不同状态下的实际发射功率进行测试记录，并与标称功率值比较，可以发现性能差别并不大，甚至有些情况下实际发射功率还大于标称值，可以确定新开发节点的发射功率没有太大损失，满足实际需要。从表2节点功耗的测试中可以看到，针对风光互补发电监控的低功耗要求，设计节点处于4种状态（休眠、唤醒、监听和发送）下功率都比较低，应用效果比较好：节点休眠时功耗电流仅约为1mA；而工作状态下的功耗电流也都在20mA以下，可以满足本应用实例对低功耗的要求。表2 节点功耗测试 节点状态 功耗（mA）休眠 1 唤醒 5 监听 15
17、 发射 18 4 结论 无线智能节点进行以上各项测试后，我们与浙江萧山某风力公司联系，利用其风力实验室进行了无线传感网络智能节点通信模块的监控测试。在测试中，监控系统可以实现对风光互补发电系统内设备的远程集中监控且有效地降低能耗，实时采集运行参数。在独立运行状态下，节点对蓄电池组充电电流、电压等使用情况，风机运行情况，负载变化等进行监控以及预测预报，并且接收来自监控中心的控制信息。在联网运行状态下，节点对风力机组的监控运行数据包括风向、风速、电压以及频率进行了有效监控并拥有功耗低，稳定灵活的优势。该无线传感网络系统成本低，功耗小，适用于电池长期供电，有效地提高了蓄电池的使用寿命，具有结构简单和
18、安全可靠等特点。在此基础上可以根据实际需要，将数据汇集到一个监控中心，通过GPRS设备接入移动通信网络，传送到远端，真正实现利用简单移动通信设备进行远程监控，可以推广到生产生活中，为人们带来便利。参考文献 1 10 Emerging Technologies that Will Change the World J.Rev,2003,106(1):33-49.2 JASON H,MIKE H,RALPH K,et al.The Platforms Enabling Wireless Sensor Networks J.Communication of the ACM,2004,47(6):41-46.3 沈建华，杨艳琴，翟骁曙MSP430系列l6位超低功耗单片机实践与系统设计M北京：清华大学出版社，2005.4 秦龙MSP430单片机应用系统开发典型实例M 北京：中国电力出版社，2005.(收稿日期：2009-08-04)