（通信与信息系统专业论文）基于wsn的配电线路无功自动补偿装置的研制.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 i i i ll l ii i iii ii i iii l1 1 1 y 17 9 6 4 8 4 针对现有的无功功率补偿装置安装过于分散，不利于集中运行管理，采集单元 需要断开高压线穿线等问题，本文设计了一种基于无线传感器网路的配电线路无功 功率自动补偿装置。本装置数据采集终端采用电磁感应电源供电及可开口无线传输 的设计，不需断开线路穿线和二次引线到控制器；采用比较成熟的单片机作为控制 器，结合比较先进的控制算法，对用电设备的无功功率及时进行检测，并计算出进 行补偿所需要的电容器组个数；基于无线传感网的设计，通过微机进行实时监测， 克服了因集中运行管理不便而难以推广配电线路自动补偿的问题。 关键词：无功补偿、无线传感网、m s p 4 3 0 f e 4 2 7 a b s t r a c t f o rt h ee x i s t i n gr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sw h i c hi n s t a l l e d d i s p e r s e d l y , a r eh a r df o rc e n t r a l i z e do p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t t h ed i s t r i b u t i o nl i n e s n e e dt ob ed i s c o n n e c t e dw h i l et h ed a t at e r m i n a l si n s t a l l e d ，e t c an e wk i n do fr e a c t i v e p o w e ra u t o m a t i cc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tb a s e do nw s n i nd i s t r i b u t i o ni sd e s i g n e d a s i t sd a t at e r m i n a li sc h a r g e db ye l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np o w e rs u p p l ya n dc a nb e o p e n e dw h i l ei n s t a l l i n g ，t h e r ei s n on e e dt od i s c o n n e c tt h ed i s t r i b u t i o nl i n ea n d s e c o n d a r yl e a dt ot h ec o n t r o l l e r ；ak i n do fh i g h p e r f o r m a n c em i c r o c o n t r o l l e ri sc h o s e n a sac o n t r o l l e ra n dc o m b i n e dw i t ha d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m s ；t h ed e v i c ec a nt i m e l y d e t e c to fr e a c t i v ep o w e ra n dc a l c u l a t et h er e q u i r e dn u m b e ro fc a p a c i t o r sf o rt h e c o m p e n s a t i o n ；t h e d e v i c ew h i c hi sb a s e do nw s n ，c a nm o n i t o rt h e r e a l - t i m e d i s t r i b u t i o np a r a m e t e rb y c o m p u t e r s ot h ed i f f i c u l tt o g e n e r a l i z e t h ea u t o m a t i c c o m p e n s a t i o nd e v i c ei nd i s t r i b u t i o n ，w h i c h c a u s e db yt h ei n c o n v e n i e n c eo fo p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n tw o u l db es o l v e d c h e ny i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f l i a n gm i n g k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，w s n ，m s p 4 3 0 f e 4 2 7 华北电力人学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章引言1 1 1 课题背景1 1 - 2 国内外研究现状2 1 3 本文主要工作3 第二章无功功率补偿和无线传感网络技术4 2 1 无功补偿的基本思想4 2 2 无功补偿的控制策略7 2 2 1 功率因数控制7 2 2 2 无功功率控制7 2 2 3 综合控制7 2 3 无功功率补偿器的分类8 2 3 1 延时投切方式8 2 3 2 瞬时投切方式8 2 3 3 混合投切方式9 2 4 有关静止无功补偿器( s v c ) 的研究9 2 4 1 晶闸管投切电容器( t s c ) 1 0 2 4 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) 1 l 2 4 3 晶闸管和电容器的连接方式1 1 2 5 无线传感器网络研究综述1 2 2 5 1 无线传感器网络概述1 2 2 5 2 无线传感器网络的特点n9 1 1 3 第三章配电线路无功功率自动补偿装置的硬件设计1 4 3 1 无功补偿装置的总体设计1 4 3 1 1 系统框架设计1 4 3 1 2 功能要求1 5 3 2 装置的各模块设计1 5 3 2 1m s d - 3 1l 型数据采集器设计1 5 3 2 1 1 电磁感应电源设计1 6 3 2 1 2 电流采集单元设计1 9 3 2 1 3 电压采集单元设计2 1 3 2 1 4m s p 4 3 0 处理器2 2 3 2 3 投切单元设计2 4 3 2 4 串口通信电路设计2 5 第四章配电线路无功功率自动补偿装置的软件设计2 7 4 1 主程序设计2 7 4 2 子程序设计2 8 华北电力人学硕+ 学位论文 第五章无线传感网网络平台设计3 8 5 1 无线通信模块的硬件设计3 8 5 1 1n r f 9 0 5 与m s p 4 3 0 f e 4 2 7 接口电路3 9 5 1 2 晶振电路4 0 5 1 3 天线部分电路4 0 5 2 无线通信软件设计4 0 5 2 1n r f 9 0 5 工作模式4 0 5 2 2s p i 串行接口4 1 5 2 3n r f 9 0 5 与m s p 4 3 0 fe 4 2 7 之间的s p i 总线接口4 2 5 2 4 无线模块的收发程序4 2 5 2 4 1 发送流程4 2 5 2 4 2 接收流程4 4 第六章测试与分析4 7 6 1 无功补偿装置的采集终端模拟实验平台4 7 6 1 1 电流采集精度测量模拟平台4 7 6 1 2 低压配电线电网参数采集实验平台4 7 6 2 测试及数据分析4 8 6 2 1 电流采集精度测量实验数据分析4 8 6 2 2 低压配电线电网参数采集数据4 9 第七章结论5 0 参考文献5 1 致谢5 4 在学期间发表论文和参加科研情况5 5 一置一 一 一 一 一 一 设一 一 一一 计化一 一 一一计计 设始一 一一 一设设序初值值一一序序程块效效数程程集模有有一因断信采沪流压率率判通据联电电频功切行 数2 3 4 5 投串 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 随着社会的不断发展，全球的能源问题越来越突出，面对可利用能源逐渐减少 的局面，人们除了不断探索新的能源外，节能也就自然成为当今社会的主题，同时， 事实证明，节能是促进一个国家经济和社会可持续发展的重要而有效的途径，我们 国家在“十一五”规划中强调节约能源，我国经济正从粗放型向集约型转变，节能 是我国提高经济竞争力，减缓和治理环境污染的有效手段【l 】。电能是我国的主要二 次能源，也存在严重的损耗问题，由于我国配电网建设相对滞后，配电网的无功功 率补偿不足，造成了电压质量的下降和电能损耗的增加。据统计，我国平均每年因 为无功分量过大造成的线损高达1 5 左右，折算成线损电量约为1 2 0 0 亿千瓦时。 假设全国电力网负载总功率因数为o 8 5 ，采用无功补偿装置将功率因数从0 8 5 提高 到0 9 5 ，则每年可以降低线损约2 4 0 亿千瓦时。当前我国电力网损耗尤其以l o k v 配电网网损为最大，其主要原因有以下几点【2 】： ( 1 ) 电网改造建设的步伐较慢。随着电网的不断扩展，用电量的不断增加，大部 分电网建设速度缓慢，一些地区的电网结构框架存在着许多以前遗留下的不足，如 部分设施陈旧老化，低压线路截面积过小，供电线路太长；高压输电线径偏小，布 局不合理；高耗能配电变压器所占的比重高等现象。这必然会有大量的无功电流在 网络中流动，从而增加了线路的电压损失和有功损耗。 ( 2 ) 配电网的用电负荷电流大，三相负荷不平衡严重，功率因数较低，运行工况 复杂，多年来一直存在无功补偿容量不足的现象。尤其是农村配电网，电网负荷季 节性强，在丰收或出现自然灾害期间，变压器处于满载运行状态，而一般情况变压 器负荷率较低，只用于人们的生活供电。一年之中变压器大多数处于轻载或空载， 这种损耗高、效率低的运行状态，常年消耗电网提供的有功和无功容量。由于农村 地域广阔，用户分散，因此更需要采取必要的无功补偿措施。 无功补偿对国家和社会的效益显而易见，国家电力行业采取鼓励补偿的政策， 按用电单位的功率因数( 表征有功功率和无功功率关系的系数) 制定不同电价标准， 因此，用电单位和个人采取无功补偿必会带来切身利益，电价下降对偏远地区的影 响更是意义深远，长期以来偏远地区的企业、个体用户由于线损较高，平均电价要 比城市高0 2 元( 每千瓦时) ，甚至某些地区每千瓦时电价高达3 4 元，严重地阻碍 了经济的发展，电价下降不但会搞活地区经济，而且还会带动电力行业及其它相关 行业的发展，为国民经济的发展增添勃勃生机【3 】。因此，无功补偿是使国家、用户 均受益，即国家、个人共享新产品带来的利益。 华北电力人学硕十学位论文 2 国内外研究现状 早期的无功功率动态补偿装置采用同步调相机。它是专门用来产生无功功率的 步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性 功功率。近几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中发挥着主要作用。 而，由于它是旋转电机，损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢， 很多情况下已经无法适应快速无功功率控制的要求。 2 0 世纪7 0 年代以来，出现了静止无功补偿技术。所谓静止无功补偿是指用不 的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，用于提 系统的功率因数、稳定系统电压等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断 器和电力电子开关。用断路器作为接触器的开关速度较慢，约为1 0 s 3 0 s ，不可能 速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时可能会引起严重的冲击电流和操 过电压，这样不但容易造成接触点烧焊，而且可能使补偿电容器内部击穿，所受 应力大，维修大【4 】。 目前，国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿已成为衡量配电网性能的 要指标之一。在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率已达8 6 4 ；在 国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制。 国内无功补偿器主流产品按原理大都可归为动态无功补偿器，根据其输出分类 分为：晶闸管控制电抗器型( t c r 型) 、晶闸管投切电容型( t s c 型) 、晶闸管控 制电抗器与固定电容器型( t c r + f c ) 、晶闸管控制电抗器与机械投切电容器型 ( t c r + m s c ) 等等。 根据控制算法分类可以分为功率因素控制系统、无功功率控制系统、无功电流 控制系统、和复合型控制系统等。选择哪一种物理控制方式实际上就是对无功功率 补偿控制器的选择。控制器是无功补偿装置的指挥系统，采样、运算、发出投切信 号，参数设定、测量、元件保护等功能均由补偿控制器完成。十几年来经历了由分 立元件集成线路单片机d s p 芯片一个快速发展的过程，其功能也愈加 完善。 近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿技术已得到很大的改进，无功补偿 装置的发展己进入一个新的阶段。目前，控制和通信技术已比较成熟，推广配电线 路无功自动补偿，加大线路分散补偿的容量，减少变电站的集中补偿容量，同时实 现配电线路分散补偿集中监控，对节能降耗有明显的效果【5 】。虽然安装在用电器旁 的“随器补偿节能效果最好，不仅为配电变压器及其以上的线路和设备降低了损 耗，而且也对用户节能有益，但其安装过于分散，单个容量较小，数量大，投资巨 大，至今很难大范围推广。 2 华北电力人学硕十学位论文 1 3 本文主要工作 本论文分析了无功补偿的原理和目的，针对目前现有的配电线路无功补偿装置 安装过于松散，不利于运行管理等问题，设计了基于无线传感网的无功功率自动补 偿装置。 该装置使用了技术很成熟的单片机作为控制器，结合比较先进的控制算法，对 用电设备的无功功率及时进行检测，并计算出所进行补偿需要的电容器个数。 本文中配电线路无功功率补偿装置的采样模块采用可开口无线传输的设计，解 决了常规的采样模块安装不方便，要断丌线路穿线，二次引线到控制器麻烦，且造 价较高等问题。电流采样中采用了高线性度、低磁滞、温度特性好、可靠性好的霍 尔传感器，使得采集精度提高。 本装置的投切模块采用晶闸管投切电容器技术，其特点是投切速度快，能对多 级电容器组进行投切，投入时无涌流，切除时无过电压，避免了电容器投切时的过 渡过程，延长设备使用寿命。 同时，本文采用了r s 4 8 5 和无线通信来实现中心节点和p c 机的近端和远端通 信，对分散设备进行集中监控管理，提高设备利用率。 华北电力人学硕+ 学位论文 第二章无功功率补偿和无线传感网络技术 2 1 无功补偿的基本思想 补偿无功功率的传统方法是将电容器与阻感性负荷并联【6 1 。电容器和电感并联 在同一电路中，电感释放能量时，电容器吸收能量；而电感吸收能量时，电容器释 放能量。能量就只在它们之间交换，即阻感性负荷( 异步电动机、变压器等) 所吸 收的无功功率，可从电容器输出的无功功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的 装置称为无功功率补偿装置。 电网以及用电设备中大多数为阻感性负载，可以用电阻r 和电感l 的串联电路 来等效。设 e o s r p = r r 2 + 罡 公式( 2 - 1 ) 式中鼍= o l 。 e o s 0 被定义为功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率p 所占线路视在功 率s 的百分数。在电力网运行中，我们希望功率因数越大越好，如果能够做到这一 点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，就可以减少无功功率的消耗。 将r 、l 串联电路并联电容c 后，电路如图2 1 所示。 i k k c 图2 1 无功补偿等效电路图 当开关断开，即没有并联电容器时，负载两端电压为u 、功率因数为e o s g , , 、电 流为及无功功率为q i 。其相量图如图2 - 2 所示。 l u l i l 图2 - 2 开关断开时的相量图 当开关闭合，即投入适当电容时，整个电路的相量图如图2 3 所示。 4 华北电力人学硕十学位论文 图2 - 3 开关闭合时的相量图 由图2 3 可知：电容性电流t 在相位上超前电压9 0 度，这样可以抵消一部分相 位滞后于电压的感性电流，就使线路上的电流减少，功率因数从c o s 仍提高到c o s 仍。 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p 外，还要承担负荷的无功功率o 。有 功功率p 与无功功率q 还有视在功率s 之间存在述关系，即： s = p 2 + q 2 公式( 2 2 ) 功率因数还可以表示成下述形式： pp c o s 口= 一= ；一 。 s 3 公式( 2 3 ) 交流电路中电源送至用户的有功功率是电压和电流的乘积。设瞬时电压电流 为： u = 4 2 u s i n t o t公式( 2 4 ) z = x 2 i s i n ( c o t 一缈) 公式( 2 5 ) 则瞬时功率为： p = u i = 2 u i s i nc o t s i n ( r o t - r p ) = c o s 缈一c o s ( 2 研一缈)公式( 2 6 ) 当供电电压的周期为t 时，在一个周期内有功功率的平均值为： 1 一 p _ 亭j ： u i c o s f o u i e o s ( 2 0 j t 一o ) d c o t = u c o s f o + 0 公式( 2 7 ) 平均功率的第二项为零时，意味着这部分功率所消耗的能量只是在电源及负载 间进行交换，即不作有用的功。这种能量交换，只有当系统中存在无功元件，即感 抗和容抗并必须积累和输出电磁能时才能发生。 图2 3 电压与电流的相位关系 当电压与电流同相位时，显然p = k u 这是纯电阻性负荷。 华北电力人学硕士学位论文 当电压与电流相位相差9 0 。时，p = 0 。 式中k 表示与相数有关的系数。如在三相交流电路中，当电压为线电压，电流 为线电流时，k = 3 。 以上说明，在不同供电系统中，当电源电压和电流有相差时，有功功率的大小 决定于电压和电流之间的夹角( p ，即决定于功率因数c o s r p 值，q 角越大，c o s t , 值越 小。与p 角对应的正弦值s i n a 和电压u 电流i 的乘积称为无功功率q 。 q = k u i s i n 口。 公式( 2 8 ) 伊角越大，无功功率越大。因此，如果要提高功率因数c o s ( o ，必需从减小缈角， 即减少无功功率的需要量上下手。 由( 2 4 ) 及( 2 - 5 ) 可以得到视在功率： s = 厮面丽矛葡面五万 因此供电系统的电流为：，： k u p q 公式( 2 - 9 ) 图2 - 4 无功功率、有功功率与视在功率关系 有功功率p 相同而无功功率q 不相同时的视在功率由图2 4 可以看出，如果p 保持不变，无功功率q 增q ，将使视在功率由s 增至s ，从而使流过供电系统的电 流增加，将对系统产生以下的影响：总电流增加会使电力系统中的元件，如变压器、 电气设备、导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备、测量仪表等规格、尺寸 增大，因而使投资费用增大。 在传送同样有功功率的情况下，总电流增大，使设备及线路的损耗增加，即： p = 3 1 2 r = 譬尺：p + 屹 u 2 ￥ 公式( 2 1 0 ) 式中嵋为由于无功功率在系统中通过而产生的有功功率损耗值，它与通过的 无功功率的平方成正比。 线路及变压器的电压损失增大，即： a u ：p r + q x ：u + 公式( 2 1 1 ) u 。 对电力系统设备来说，无功电流的增大，使发电机转子的去磁效应增加，电压 6 华北电力人学硕士学位论文 降低，如过度的增加励磁电流，会使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正 常工作，发电机就不允许达到预定的出力。此外，原异步电动机的效率是按照有有 功功率衡量的，当发电机发出的视在功率s 一定时，无功功率q 的增加，会导致原 动机效率的相对下降。 2 2 无功补偿的控制策略 为了实现配电网的安全优化运行，全国各地的变电站安装了大量无功功率补偿 装置，但这些无功补偿设备很多并未能充分发挥应有的作用。一些控制系统按简单 的功率因数作为投切电容器的判断依据，不能满足实际运行需要。例如负荷在低谷 时，有功功率和无功功率都较小，功率因数也很低，常有投切振荡现象发生，影响 设备的安全使用寿命。据统计，在负荷高峰期，近6 0 的电容器组未能投入运行， 而在低谷负荷时却有近3 0 的电容器未能退出运行【_ 7 1 。这与电容器组所采用的开关 设备水平有关，其主要原因是还未安装电压无功的自动调节装置或者是控制策略的 设计不合理，在实际运行中未能充分发挥作用。 随着计算机测控技术的迅速发展，无人值守变电站己成为变电站综合自动化的 重要组成部分，电压无功综合控制装置的研究和应用也得到了重视和发展，并 先后提出了多种无功补偿的控制策略。无功补偿的控制策略大致可分为以下几种： 2 2 1 功率因数控制 按照c o s c p 2 c o s c p c o s 仍, 的原则控制所需的补偿电容器容量。但这种方法具有 许多缺点：由于电容是分级补偿，在轻载时容易产生投切振荡，这样不仅会缩短补 偿电容的寿命，而且会给电网带来电压的持续低频振荡；而重载时，又不易达到充 分补偿。 2 2 2 无功功率控制 根据所测得的系统参数，计算出应该投入的电容容量，在电容组合方式中选出 一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。这种控制方式解决 了投切振荡的问题，同时又能达到很好的补偿效果。 2 2 3 综合控制 尽管无功功率控制有诸多好处，但单独使用一种控制方式，总会有其局限性。 因此产生了以功率因数控制和无功功率控制为基础，电压控制等多种控制因素为辅 助的综合控制方式。 7 华北电力人学硕十学位论文 t s c 的控制策略可以分为开环控制、闭环控制和复合控制三大类。开环控制的 优点是响应迅速，能快速地跟踪负荷的变化，但维持电压或功率因数等参数的功能 不强；闭环控制中因采用了积分环节，响应速度比较慢，但优点是精度高。而复合 控制系统将开环控制和闭环控制相结合，即可以使补偿器快速地跟踪负荷电流的变 化，也可使负荷的功率因数维持在给定值【引。 2 3 无功功率补偿器的分类 2 3 1 延时投切方式 延时投切方式即熟称的“静态补偿方式。这种投切是依靠传统的接触器的动 作，用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切的目的 在于防止接触器过于频繁动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投 切导致供电系统振荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，这时电网的电流滞 后电压一个角度；当负荷为容性时，如对控制器的过量补偿，这时电网的电流超前 于电压一个角度，即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装 置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量可以是功率 因数、无功电流或无功功率一j 。 下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时，如果c o s 矽超前且大于 0 9 8 ，滞后且大于0 9 5 ，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投 入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到c o s 矽不满足要求时， 如果c o s 够滞后且小于0 9 5 ，那么将一组电容器投入，并继续监测c o s ( p ，如还不满足 要求，控制器则延时一段时间( 延时时间可整定) ，再投入一组电容器，直到全部 投入为止。当检测到超前信号如果c o s 汐 a d cc l o c k ：1 0 9 4 m h z ls d l 6 r e f o n ；选用内部参考源 2 1 电流通道1 1 放大倍数，过采样率选择 电流通道采用锰铜分流器3 0 0 脾，最大电流4 0 a ，则电流通道1 1 ( 1 1 + ，1 1 ) ， 差分输入最大有效值为3 0 0 k ) x4 0 a = 1 2 m v 。 若放大倍数v - - 1 6 ，则a d c 差分输入最大值= 1 6 x1 2 x1 4 1 4 - - 2 7 1 m v 5 0 0 m v 。 所以电流通道i l 放大倍数v 应选择1 6 ，过采样率选择2 5 6 。 华北电力人学硕士学位论文 s d l 6 i n c t l 0 = s d l 6 g a i n1 6 ；设置电流通道i l 的增益放大倍数g a i n = 1 6 s d l 6 c c t l 0 = o s ro ；设置电流通道1 1 过采样率为2 5 6 3 ) 电压通道v l 放大倍数，过采样率选择 电压通道采用电阻分压实现，最大输入电压= 2 2 0 x1 4 1 4 9 9 1 = 3 1 4 m v 。 若放大倍数v = l ，则a d c 差分输入最大值= 31 4 m v o 容性； c a p i n d = o无； c a p i n d 0感性。 4 2 3 投切判断程序设计 无功补偿就是通过控制电容的投切去补偿电网，使电网运行在一个稳定健康的 状态。因此电容投切设计的合理与否直接关系到整个系统的可靠性以及稳定性。投 切判断子程序设计的基本思想是：投切间隔时间到，进入子程序，判断是否过压， 相位判断，以及与功率因数上下限比较进行综合投切。投入电容的过程中，通过取 出电容运行时间单元中的值进行比较，从运行时间最短的开始投切，切除过程中， 从运行时间最长的开始切除，实现“循环投切”。为了保证循环投切，必须有一个 循环队列，该队列的元素数目依据用户设定组数而定，此外，还要一个投运指针和 切除指针，它们分别指向将投运的电容器组和将切除的电器组【3 3 1 。投切判断程序流 程图如图4 4 所示。 华北电力人学硕士学位论文 4 2 4 串行通信程序设计 图4 4 投切判断程序流程图 串行通信单元主要实现中心节点与监控计算机之间的通信，下面分别给出4 接口的初始化程序和串口中断服务程序流程图。 ( 1 ) 初始化程序 初始化程序包括端口初始化和串口初始化。以下就是4 8 5 接口初始化程序。 v o i di n i tu a r t o ( v o i d ) u o c t l = o x 0 0 ； u o c t l + = c h a r ： p 3 s e l i = b i t 5 ； p 3 d i r i = b i t 4 ； r e t u r n ； ) ( 2 ) 串口中断程序流程 中心节点串行通信模块中断服务程序流程图如图4 5 所示。 图4 5 串行通信模块中断服务程序流程图 3 7 华北电力人学硕士学位论文 第五章无线传感网网络平台设计 本装置的无线传感网络平台设计中主要涉及三类：传感器节点平台、中心节点 平台及监测管理平台。 传感器节点构成了无线传感网络物理层基础的支撑平台，它由数据采集模块、 处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。其中数据采集模块、数据处理 模块和电源模块的主要功能前面已经介绍，无线收发模块主要的功能是负责与中心 节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。 中心节点的主要功能是实现两个通信网络( 无线通信网络和4 8 5 总线网络) 之 间数据的交换，发布监测端的监测任务，并把收集到的数据转发到监测端。它既可 以说是一个增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特 殊网关设备。 监测管理平台由一台或多台位于主控室的计算机组成，负责对整个传感器网络 进行监测、管理。中心节点或传感器节点增加或减少，管理平台需要有所体现；节 点功率因数异常时，监测计算机也立即有所反应；所有采集上来的数据能实时地存 储并显示于监测计算机，便于管理者及时做出处理。 下面介绍无线通信模块的硬件和软件设计。 5 1 无线通信模块的硬件设计 无线通信模块使用的芯片是n r f 9 0 5 ，n r f 9 0 5 是挪威n o r d i cv l s i 公司推出的 单片射频收发一体的芯片，其功能特点如下【3 4 】： ( 1 ) 工作在4 3 3 8 6 8 9 15 m h z 三个i s m 频段，使用时无须申请许可证； ( 2 ) 最大的发射功率+ l o d b m ，典型接收灵敏度1 0 0 d b m ； ( 3 ) n r f 9 0 5 采用抗干扰能力强的g f s k 调制，具有很强的抗干扰能力； ( 4 ) 1 作电压范围宽1 9 3 6 v ，适合于低电压工作场合； ( 5 ) 极低的功耗，输出功率为1 0 d b m 时工作电流为l l m a ，接受模式时工作电流 为1 2 5 m a ，掉电模式工作电流为2 5 u a 。并且有多种工作模式可供选择，发射功率 和接受灵敏度可以调节； ( 6 ) 集成了曼切斯特编解码，最大数据传输速率为l o o k b p s ，c r c 校验、组帧等 功能，指令传输可靠性高且易于程序设计， ( 7 ) 将低噪声放大器l n a 、功率放大器p a 、压控振荡器v c o 、g m s k 调制解调 等大部分功能集成在芯片内，外围电路简单易于开发。 图5 1 是n r f 9 0 5 外围电路图。其电路主要包含与微处理器芯片m s p 4 3 0 f e 4 2 7 华北电力人学硕十学位论文 接口电路、晶振电路和天线部分电路三部分。 图5 1 无线通信模块电路图 5 1 1n r f 9 0 5 与m s p 4 3 0 f e 4 2 7 接口电路 n r f 9 0 5 与m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的接口通过l o 根i o 口线连接，其中p w r ，t x e n 和t r xc e 分别与m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的p 1 5 ，p 1 0 和p 1 2 相连，m s p 4 3 0 f e 4 2 7 通过 控制这三个引脚的电平高低设置n r f 9 0 5 是在工作模式( s h o c kb u r s tt m 接收模式 或s h o c kb u r s tt m 发送模式) 还是节能模式( 掉电模式或待机模式) 。n r f 9 0 5 有3 个引脚c d ( 载波检测) 、a m ( 地址匹配) 和d r ( 数据就绪) ，用于状态输出，均 为高电平有效，他们分别与m s p 4 3 0 f