（电力系统及其自动化专业论文）变电站设备温度无线监测系统设计与实现.pdf

。商鲫川叫舭蹦脚嘞俯e w 燃必 m o n i t o r i n gs y s t e mf o rp o w e rs t a t i o ne q u i p m e n t at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r d e g r e e b y z h a n gq i a o f e n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uy a n c h e n g m a y 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 变电站遮备星廑玉线堕测丕统退让皇塞理：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蚴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到 a a b r y z ( c h k ) ? a a 读取指定中心节点的设置信息 & a a l a a s s f f s s f f ( c h k ) ? a a 读取指定中心节点的地址表 & a a 2 a a s s t d 。s s t d ( c h k ) ? a a 读取指定中心节点的温度数据 各个通信帧详解如下： ( 1 ) a a n n b r 该命令用于设置地址为从的中心节点的参数，将其地址修改为n n ，波特率 设置为b r ，是该命令的起始符；! n n ( c h k ) 是中心节点正确响应该命令的帧格 式，其中! 是响应帧的起始符，n n 是新设置的节点地址。 ( 2 ) a a y z n 该命令用于设置地址为从的中心节点的温度报警阈值为y z n ， y z l 、y z 2 和y z 3 分别代表高温报警值、低温报警值和温升报警值，正确响应该命令的帧格 式是! a a ( c h k ) 。 ( 3 ) & a a 0 该命令用于读取地址为从的中心节点的配置信息，中心节点正确响应该命 令后，返回 a a b r y z ( c h k ) ，其中b r 是波特率，y z 是报警温度阈值。 ( 4 )& a a i 该命令用于读取地址为a a 的中心节点的地址表，正确响应该命令后，中心 节点返回地址表信息 a a s s f f s s f f ( c h k ) ，其中s s 代表中心节点a a 下的温 度数据采集节点地址，f f 为s s 的网络标号。 ( 5 )& a a 2 该命令用于读取地址为从的中心节点的温度数据，正确响应该命令后，中 心节点返回其下属的各个温度数据采集节点的温度，正确的响应帧格式 第2 章变电站设备温度无线监测系统的总体方案及关键技术 为 a a s s t d s s t d ( c h k ) ，其中t d 是s s 的温度。 若中心节点没有正确响应上位机的命令帧格式，则返回? a a 帧，表明命令执 行出错。 2 3 ，j 、结 本章节主要从系统的总体设计方案和课题涉及的几个主要关键技术这两方面 展开来论述。总体方案设计结合变电站设备监测的具体应用，提出了节点系统设 计的具体要求、系统总体架构设计以及系统每一部分要实现的功能。接着对课题 涉及到的几个关键技术包括电源管理、抗干扰技术以及通信协议作了具体的阐述。 其中通信协议包括多个数据采集节点和中心节点之间的c s m a 和改进的t d m a 协 议，以及中心节点和上位机的r s 4 8 5 通信帧格式的设计。 1 4 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 第3 章变电站设备温度无线监测系统的硬件设计与实现 3 1 主芯片的选择 随着单片机技术的日益成熟，其应用也越来越广泛地深入到日常生活和生产 的各个领域，集成度更高、功能更强、使用更加方便、低电压低功耗、价格更低 必然是未来单片机的发展趋势【5 2 】。课题设计的变电站设备温度无线监测系统采用 了两款主要芯片：数据采集节点和中心节点的微处理单元和无线通信单元分别采 用m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片和n r f 9 0 5 芯片。其中m s p 4 3 0 系列具有强大的中断功能，1 0 万次烧写，e s d 保护和较强的抗干扰能力，被广泛应用于煤气表、电子电度表、 火警智能接头、通信产品、家庭自动化产品、便携式监视器及其他低功耗产品【5 3 1 。 ( 1 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 1 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位 超低功耗单片机，采用冯诺依曼结构，由1 6 位r i s cc p u 、存储器、外围模块、 灵活的时钟系统以及连接它们的数据总线和地址总线组成。m s p 4 3 0 系列单片机具 有以下特点1 5 4 5 5 】： 低电压，超低功耗。采用1 8 - 3 6 v 低电压电源，r a m 数据保持方式下耗电 仅为0 1 衅，等待方式时，电流为0 8 肚，活动模式耗电2 5 0 1 x a m i p s ，i o 输入 端口的漏电流最大仅为5 0 h a 。具有独特的时钟系统，可以提供一种活动模式和五 种低功耗模式l p m 0 - l p m 4 ，其中l p m 4 耗电最省，仅为0 1 肚，在活动模式时， 可以根据需要在1 0 0 k h z 8 m h z 之间调整时钟频率，有效地降低系统功耗。采用矢 量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求将c p u 唤醒只需要6 p s ， 平时让单片机处于低功耗状态，需要运行时通过中断唤醒c p u ，这样既能降低系 统功耗，又可以对外部请求做出快速反应。 强大的处理能力。采用r i s c 结构，一个时钟周期可以执行一条指令。当 m s p 4 3 0 单片机工作在8 m h z 晶振时，指令速度可达8 m i p s ，最高可以工作在 1 2 m h z 晶振。m s p 4 3 0 有些型号还具有1 6 位硬件乘法器，大大增强了数据处理和 运算能力。 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。m s p 4 3 0 单片机的外围模块非常丰 1 5 第3 章变电站设备温度无线监测系统的硬件设计与实现 富，看门狗( w d t ) 、模拟比较器a 、定时器a 、定时器b 、串口0 和l ( u s a i 汀o 、 1 ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、l o 位1 2 位a d c 、i i c 总线直接数据存取( d m a ) 、 端口0 ( p 0 ) 、端口1 - - 6 ( p 1 p 6 ) 、基本定时器( b a s i ct i m e r ) 等，这些片内外设 为简化系统设计提供了极大的方便。 系统工作稳定。m s p 4 3 0 内部集成了数字控制振荡器d c o ，在系统启动或 外部晶振出现故障时，时钟源自动切换到d c o ，从而保证系统的正常运行。另外， m s p 4 3 0 单片机还集成了看门狗定时器，可以配置为看门狗模式，让单片机在出现 死机的情况下能够自动重启。 方便灵活的开发环境。f l a s h 型的m s p 4 3 0 系列单片机，集成了片内j t a g 调试接口，可以实现在线编程和调试，开发时只需要一台计算机和一个j t a g 调试 接口。开发软件可以采用汇编或c 语言，目前较好的软件开发工具是i a r w o r k b e n c hv 2 4 3 。 ( 2 ) 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器，工作在 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 的i s m 频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接 收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成，具有以下特点【5 6 5 7 】： 真正的单片 低功耗s h o c k b u r s t 工作模式 工作电源电压范围1 9 3 6 v 多通道工作e t s i f c c 兼容 通道切换时间 8 ) ； s t a r t o ；发送开始信息 w r i t e b y t e ( o x a o ) ；发送从地址信息，为写操作 t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f ( ! t e m p ) r e t u r n ； w r i t c b y t 。( h i 曲a d d r e s s ) ；写入地址高八位 t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f ( 1 t e m p ) r e t u r n ； w 订t e b y t l 0 w a d d r e s s ) ；写入地址低八位 t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f ( ! t e m p ) r e i t u | n l ； w r i t e b y t e ( w r i t e d a t a ) ；写入数据 t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f 0 t e m p ) r 融l l r l l ； s t o p o ； ) 读a t 2 4 c 0 2 数据程序 u n s i g n e dc h a rr e a d w o r d ( u n s i g n e di n ta d d r e s s ) f u n s i g n e dc h a rt e m p ； u n s i g n e dc h a rd a t a ； u n s i g n e dc h a rl o w a d d r e s s ； u n s i g n e dc h a rh i g h a d d r e s s ； l o w a d d r e s s = ( u n s i g n e dc h a r ) a d d r e s s ； h i g h a d d r e s s = ( u n s i g n e dc h a r ) ( a d d r e s s 8 ) ； s t a r t ( ) ；发送开始信息 4 3 第4 章变电站设备温度无线监测系统的软件设计与实现 w f i t e b y t e ( o x a o ) ；发送从地址信息，为写操作 t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f f ! t e l ：n p ) r e t m - no ； w r i t e b y t e ( h i g h a d d r e s s ) ； t e m p = r e c e i v e a c k ( ) ； i f ( t t e m p ) r e t u r n0 ； w r i t e b y t e ( l o w a d d r e s s ) ； t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f ( ! t e m p ) r e t u r n0 ； s t a r t ( ) ； w r i t e b y t e ( 0 x a l ) ；读 t e m p = r e c e i v e a c k 0 ； i f ( ! t e m p ) r e t u r n0 ； d a t a = r e a d b y t e 0 ； s t o p ( ) ； r e t u r nd a t a ； 4 3 4 串行通信单元软件设计 根据第2 章的r s 4 8 5 串行通信数据帧的设计，串行通信单元软件设计包括对 r s 4 8 5 的接口初始化和中断服务程序设计。 ( 1 ) 初始化程序 初始化包括端口和串口初始化，下面是r s - 4 8 5 接口初始化程序。 v o i du a r t _ l n i t ( v o i d ) u c t l o i _ c h a r ；传送数据为8 位 u t c t l o | _ s s e l l ；【扶s m c l k 为模块时钟 u c t l 0 & = - - s w r s t ；u s a r t 允许 u r c t l 0 = u r x e i e ；接受出错中断允许 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 u b r 0 0 = 0 x 4 5 ；设置波特率并开始微调，波特率为9 6 0 0 u b r l0 = 0 x 0 0 ； u m c t l o = o 】【4 9 ； m e l = u r x e 0 + u t x e 0 ；发送和接受模块使能 p 3 s e l i = t x d + r x d ； p 3 d i r i = t x d ； p 3 d i r & = - r x d ； i eii = u r x i e o ； ) ( 2 ) 串口中断程序流程 如图4 1 3 为串口中断服务流程图。 4 1 3 串口中断服务流程图 f i g 4 13t h ef l o wc h a go fs e r i a li n t e r r u p tc o m m u n i c a t i o n 4 5 第4 章变电站设备温度无线监测系统的软件设计与实现 4 4 主控室监测计算机软件设计 温度数据采集节点和中心节点作为下位机，负责采集和发送温度数据；上位 机监测软件则负责对这些收集上来的数据进行分析和处理，方便电站工作人员的 管理。课题采用v i s u a lc + + 6 0 为上位机软件开发环境，通过对上位机各个模块软 件的设计和编程，实现串口通信、采样数据处理、信息汇总报表的功能。 4 4 1 开发环境介绍 v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 公司开发的基于c c + + 语言的集成开发工具，其集 代码编辑、编译、连接、调试等功能于一体，并提供了多种有用的辅助开发工具， 它不但大大提高了应用程序的开发效率，还给编程人员提供了一个完整又方便的 开发环境【删。由于w i n d o w sx p 提供更快的显示速度、更强的安全性以及更高的稳 定性，因此使用w i n d o w sx p 操作系统作为本系统的操作系统。 v i s u a lc + + 6 0 的集成开发环境为用户提供了一个快速编程的框架，要真正掌 握v i s u a lc + + 6 0 ，必须对c c + + 语言有深入了解，理解m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s ) 和w i n d o w s 下的编程方法。在w i n d o w s 下编程，通常要调用w i n d o w sa p i 加以实现。v i s u a lc + + 6 0 将大量的w i n d o w sa p i 进行封装，通过m f c 的方式提 供给程序开发，使得用户界面设计简单快捷。 4 4 2 功能需求及模块组成 上位机软件是位于主控室监测计算机的数据采集管理软件，它作为上位机部 分对下位机采集的温度数据进行实时处理和显示，并为操作人员提供一种监视管 理的方法和手段。该数据采集管理软件的功能需求如下，通过这些功能将监测信 息及时准确反馈给电站工作人员，实现对整个监测系统的管理。 对串口参数、节点参数的设置； 轮询各个中心节点，接收各节点温度数据并记录当时的时间； 将温度数据保存在数据库系统中，提供温度数据历史查询和打印功能； 采样温度数据越界报警功能，将异常事件存入日志文件。 根据监测软件的功能需求，整个上位机软件设计可分为三个功能模块：串口 通信模块、数据处理模块和信息汇总模块。这些功能模块是温度数据管理软件所 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 要实现的主要功能，整个上位机软件设计也是基于这些功能的实现来进行的。如 图4 1 4 为主控室计算机监测软件的总体组成框图。 图4 1 4 计算机监测软件的总体组成框图 f i g 4 1 4t h ew h o l ec o m p o s i t i o nd i a g r a mo f c o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r e ( 1 ) 串口通信模块 串口通信模块完成对串口通信控件及其对象的初始化以及上位机和下位机之： 间的数据收发。软件方面，目前在v c + + 环境常用串口编程方法有两种：用a p i 函数实现串口编程和用m s c o m m 控件实现串口通信开发。a p i 函数属于w i n d o w s 底层函数，利用a p i 函数进行串口程序设计，具有很强的灵活性，执行效率高， 但是需要详细了解串口程序开发过程和一些复杂的a p i 函数，对编程人员要求比 较高。m s c o m m 控件是m i c r o s o f t 提供的一个a c t i v e x 控件，用于简化串口程序开 发。使用m i c r o s o f t 控件、用户不必了解复杂的a p i 函数，通过m i c r o s o f t 控件的 属性、方法、事件，就可以实现串口操作的大部分功能f 6 l 】。系统采用m s c o m m 控 件来进行串口通信开发。 m s c o m m 控件串口编程的基本流程是这样的： 在p r o j e c t 中插入m s c o m m 控件，创建c m s c o m m 类，在视类的c l a s s w i z a r d 中为该控件声明一个变量mc o m ； 初始化并打开串口，具体代码如下： m _ c o m s e t c o m m p o r t ( 1 ) ；选择c o m i m _ c o m s e t l n b u f f e r s i z e ( 1 0 2 4 ) ；设置输入缓冲区的大小，单位为b y t e m _ c o m s e t o u t b u f f e r s i z e ( 512 ) ； 4 7 第4 章变电站设备温度无线监测系统的软件设计与实现 i f ( ! r n _ c o m g c t p o r t o p c n o ) 打开串口 m _ c o m s e t p o r t o p e n ( t r u e ) ； m _ c o m s e t l n p u t m o d e ( 1 ) ；设置输入方式为二进制方式 m _ c o m s e t s e t t i n g s ( “9 6 0 0 ，n ，8 ，l ”) ；设置数据传输速率等参数 r n _ c o m s e t r t h r e s h o l d ( 1 ) ；为1 表示有一个字符引发一个事件 m _ c o m s e t i n p u t l e n ( o ) ；为0 表示读取接收缓冲区中的全部内容 捕捉串口事件：m s c o m m 控件采用事件驱动法从串口获取数据，当有事件 ( 比如说接收到数据) 发生时通知程序，并在这个程序中需要捕获并处理这些通 信事件。 串口读写：串口读写由g e t l n p u t 0 和s e t o u t p u t ( ) i 函数完成。 关闭串口：在使用完m s c o m m 通信对象后，需要将通信端口关闭，由语句 m _ c o m s e t p o r t o p e n ( f a l s e ) 实现。当窗体注销，m s c o m m 控件注销同样也可以完 成这一功能。 ( 2 ) 数据处理模块 当上位机完成串口的数据接收后，接下来就要对采集到的数据进行处理，这 就是数据处理模块所要完成的功能。该模块首先对接收到的数据进行校验，判断 是否与发送方的c h e c k s u m 一致，如果两者一致则认为数据传输无误。在确保数据 的正确性之后，根据系统设置的各个报警阈值，判断数据是否越界并给出相应的 报警提示，并记录报警事件。同时系统设计使用v c 抖的m f co d b c 技术，将数 据实时存储在a c c e s s 2 0 0 0 数据库中，方便以后数据查询使用或者更多的后续处理， 且不占用较大系统资源。设计过程中，采用定时器函数o n t i m e r ( ) 对缓冲区内接收 到的数据进行循环采样和处理。 ( 3 ) 信息汇总模块 串口通信模块和数据处理模块完成了主控室监测计算机对下位机的通信，数 据采集和存储功能，但要更好地管理数据，还需要对采集到的数据进行分类、显 示和汇总，才能将信息清晰的展示在用户面前。信息汇总模块以报表的形式显示 各个中心节点下的数据采集节点温度，提供查询和报表打印功能。 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 4 4 3 上位机监测软件主程序流程图 如图4 1 5 为上位机监测软件主程序流程图。 图4 1 5 上位机监测软件主程序流程图 f i g 4 15t h em a i np r o g r a mf l o wc h a r to fc o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r e 从流程图上看出，必须正确输入用户名和密码才能进入系统软件，以此来保 证用户的使用权，确保数据安全管理。当用户输入正确口令后，进入系统主界面， 开始系统初始化设置，其中串口参数由工作人员手动输入，串1 2 1 初始化成功之后， 4 9 第4 章变电站设备温度无线监测系统的软件设计与实现 工作人员首先搜索总线上挂有哪些中心节点，然后针对各个中心节点的监测对象 的具体要求来设置报警阈值。一切参数设置好之后，系统就开始轮询各个中心节 点，通过串口接收中心节点数据，并实时显示各个节点的温度和报警信息。 为了不影响系统的实时性，一台上位机最多监测6 个中心节点，每个中心节 点最多带3 2 个温度数据采集节点。为了对采样数据进行存储，软件设计过程中为 6 个中心节点提供了6 个数组空间，每个数组空间的大小都足够存储3 2 个温度数 据信息。接着以曲线的方式实时显示各个温度数据，绘制曲线的同时判断各个温 度数据是否达到越界报警，并给出相应报警动作。系统存储每次的采样数据，记 录每一次报警事件，供电站工作人员查询和打印。 整个系统软件在用户设定的采样频率下循环运行，保证变电站设备温度的实 时监测，只有当用户给出结束进程命令时，系统才退出，否则一直执行。 4 4 4 人机界面设计 人机界面是变电站工作人员与整个系统交流和沟通的平台，它以生动直观的 形象提供串口设置、节点搜索、报警阈值设置、温度显示、历史数据查询和打印 等功能。 如图4 1 6 是变电站设备温度无线监测系统的人机界面的通信设置窗口，此外 还有节点搜索等四个窗口，人机界面设计采用t a bc o n t r o l 控件实现多窗口标签的 功能切换。串口设置窗口包括串行端口的选择和波特率、数据位、校验位、停止 位的设置；节点搜索窗口用于搜索整个系统网络内中心节点的情况，点击开始搜 索按钮后，该窗口会以列表的形式显示中心节点的信息，包括中心节点编号、子 节点个数和子节点编号；报警阈值设置窗口用于选择中心节点的监测对象是什么， 以及针对该监测对象设置高温报警值、低温报警值和温升报警值；温度显示窗口 则以报表的形式显示各个温度数据采集节点的节点编号、监测对象、实时温度、 运行状态以及报警信息等；历史数据查询窗口提供历史温度数据和历史报警记录 的查询和打印功能。 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 图4 1 6 监测系统人机界面 f i g 4 16t h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo fm o n i t o r i n gs y s t e m 4 5 小结 本章主要介绍了系统软件设计的三部分：温度数据采集节点软件设计、中心 节点软件设计和监测计算机软件设计。本文先总体上介绍了软件设计的总体思路， 并详细分析了节点自组织自管理过程和动态时隙分配过程，同时给出了系统软件 抗干扰的一些措施。接着具体阐述温度数据采集节点和中心节点的软件总体设计 流程图，并对各个组成模块展开了详细的描述。上位机监测软件采用v c + + 6 0 开 发环境来编写，也同样先从总体设计和功能需求开始，然后分别具体介绍了串口 通信模块、数据处理模块和信息汇总模块的设计过程，最后设计了人机交互界面， 第5 章变电站设备温度无线监测系统综合测试 第5 章变电站设备温度无线监测系统综合测试 5 1 系统开发环境 5 1 1i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 简介 i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 是一种灵活的集成环境，它用于开发应用各种不同 的目标处理器，它提供一个窗口界面，方便用户迅速地开发和调试。如图5 1 为系 统中心节点软件的开发调试环境界面。 ：i i 。z e 。j c i 。i ll i n d h d d 苗qa 曾，“驴lr 气雹b 穆每、：镭y 占。 搿黧嚣缮雅籀獭绷躺麟鹈赣缓x赢妇聩“啊赢弱骧棚商毒女菇国珥l 硝瓣耐魏k 嘲巍彦锄：i k i 锄毒施。；氛? 掰貔巍貔i 墨 ，雾弘勃荔，缓 l o e h n o ，i 嘲1 n a 扭3 j ：0 c j ：； i hm 冀：簟 wld1bvo】di-o jgl 哪鸵。， t 叫l 皿m o n c ；：皿缸_ 棚d i - fi ，；，l , a j - 自铀o u 婚m p 矗姑截艚觅 一“m l l 一曲m h 抽ci n t ，； 一面m 4 3 0h1 1 ；c 拜弗把 一由t m l ， i ci i c l ； 一国m s p 4 3 0 k o，ci o m 曩删t t 髓精| | ) l 一面r dh ，t t e 噎b 提a 时f a 4 a 嚏| + 孙j 一田0 9 0 h ， 锄rz 4 i e 】l z ：j 弘o # 一墨* d m e r h l c “j - _ 一面l m h 乳基弹l 粗 _| 盘o 呻_r 7 确l t 8 龃l b t 艏吐，； “ # 磕r 3 0 5 镪链诧 ，垃f ：4 二f ； j ：i ，宣科磊l 荔特诧 ：，t i l l ：a ： l ； ，l i 糌硅袁 ，t k b ：矗二t i ： o ，两拍疗矗鹰弃麓拧j e l 。o 嘛f i 竹0 5 i j j ，一f f 秀礁孽i 毫串 i 取f ，i d _ 蚴l 1 耳i。， 蹩二黧一一一髫，：；。三 图5 1 软件开发调试环境 f i g 5 1t h ed e b u g g i n ge n v i r o n m e n tf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t 5 1 2j t a g 仿真器在线编程 联合测试行动小组j t a o ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是一种国际标准测试 协议，主要用于芯片内部测试。j t a g 基本原理是在器件内部定义一个测试访问接 口，通过专用的j t a g 测试工具进行内部节点的测试。现在的j t a g 接口还常用于 实现在线编程i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) ，对f l a s h 等器件进行编程【5 2 】。m s p 4 3 0 系列单片机的硬件系统调试需要通过仿真器进行，仿真器与调试计算机之间用并 口电缆或者u s b 线缆进行连接，仿真器和单片机硬件之间要通过j t a g 连接线进 5 2 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 行连接，如图5 2 所示。 丌_ | ：试i ；u j d 铀 上位机( i a r ) 卜 j t a g 仿真器 卜 m s p 4 3 0 单片机 仿真软件 图5 2m s p 4 3 0 单片机仿真器连接图 f i g 5 2c o n n e c t i o ng r a p hb e t w e e nm s p 4 3 0a n ds i m u l a t o r j t a g 连接器是一个1 4 针的连接器，其信号排列如图5 3 所示。m s p 4 3 0 的j t a g 接口电路很简单，只需要将相应的信号与单片机中对应的引脚连接起来就可以。 5 2 系统综合测试 l2 34 56 73 9l o l l1 2 1 31 4 图5 3j t a g 连接器信号排列 f i g 5 3s i g n a la r r a n g e m e n to f j t a gc o n n e c t o r 5 2 1 测试平台搭建 变电站设备温度无线监测系统的开发需要硬件和软件两方面的环境。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的硬件环境非常简单，只需要一台p c 、一个j t a g 仿真器和开发板， 开发板采用课题自主研制的若干中心节点和温度数据采集节点( 以2 个中心节点 和4 个温度数据采集节点为例，实物图见附录a ) ，再加上一个2 4 v 直流电源、 r s 2 3 2 4 8 5 总线转换模块、若干热电偶、若干导线电缆线等，这些构成了系统开 发的硬件环境。软件开发环境采用i a r 公司的i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式 工作台，以及采用v i s u a lc 抖编写的监测软件。测试平台搭建完成后，课题以变电 站内电缆线路接头和开关柜监测为例( 实物图见附录b ) ，具体测试过程如下一小 第5 章变电站设备温度无线监测系统综合测试 节所述。 5 2 2 系统测试过程及结果分析 ( 1 ) 系统登录 上位机监测软件设计了登录口令来保护用户的使用权，用户只有输入了正确 的用户名和密码才能进入监测主界面，否则无法使用该软件。如图5 4 是变电站设 备温度无线监测系统上位机软件的登录界面。 图5 4 系统登录界面 f i g 5 at h es y s t e m sl o g i ni n t e r f a c e ( 2 ) 通信设置 进入通信设置界面，选择端i ：1 号c o m l ，波特率为9 6 0 0 b p s ，8 b i t 数据位，奇 校验，l b i t 停止位。如图5 5 所示为通信设置界面，点击“打开串口 ，建立上位 机与中心节点之间的通信。 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 图5 5 系统通信设置界面 ： f i g 5 5t h es y s t e m sc o m m u n i c a t i o ns e t t i n gi n t e r f a c e ( 3 ) 网络搜索 进入网络搜索界面。点击“开始”按钮，搜索整个变电站设备温度无线监测 系统网络中存在几个中心节点，以及每个中心节点下面自带温度数据采集节点的 情况，方便接下来的节点设置操作。如图5 6 为系统网络搜索界面。 图5 6 系统网络搜索界面 f i g 5 6t h es y s t e m sn e t w o r ks e a r c hi n t e r f a c e 5 5 第5 章变电站设备温度无线监测系统综合测试 ( 4 ) 节点设置 进入节点设置界面，根据实际的监测情况设置各个中心节点的监测对象，以 及报警阈值，包括高温报警值设置、低温报警值设置和温升报警值设置。如图5 7 所示为节点设置界面，中心节点0 0 用于监测开关柜情况，中心节点0 1 用于监测 电缆接头。 图5 7 系统节点设置界面 f i g 5 7t h es y s t e m sn o d es e t t i n gi n t e r f a c e ( 5 ) 温度显示 节点设置完之后，进入温度显示界面，如图5 8 所示为温度显示界面，这也是 整个上位机监测的主界面。点击“实时温度显示 按钮，界面上会实时显示各个 温度数据采集节点的监测信息，包括节点编号、监测对象、实时温度、运行状态 以及报警信息。 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 ( 6 ) 数据管理 图5 8 系统温度显示界面 f i g 5 8t h es y s t e m st e m p e r a t u r ed i s p l a yi n t e r f a c e 、 数据管理界面负责完成对历史数据、报警记录的查询和打印功能，并以报表 的形式提供给用户。如图5 9 所示为数据管理界面，用户输入相关的查询条件，即 可查询并打印。 图5 9 系统数据管理界面 f i g 5 9t h es y s t e m sd a t am a n a g e m e n ti n t e r f a c e 5 7 第5 章变电站设备温度无线监测系统综合测试 从以上测试过程及结果可以看出，在实验室环境下，该温度无线监测系统能 够实时采集温度数据并正确显示温度，系统的设计满足变电站设备温度监测的要 求，并且系统运行稳定。课题的后续工作将针对变电站实测环境进行系统测试， 并在测试过程中不断完善系统，提供系统的可靠性和稳定性。 5 3 小结 本章节主要对课题所设计的变电站温度无线监测系统进行了综合测试，论文 首先介绍了系统的开发环境i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 以及j t a g 仿真器在线编程 技术。其次以两个中心节点、四个温度数据采集节点、监测计算机等其它器件， 一起搭建了一个综合测试平台，接着具体阐述了测试的过程，并对测试所得的实 验数据结果进行分析，验证了课题的可行性。 5 8 ； 基 变电站设备温度无线监测系统设计与卖现 第6 章总结与展望 本课题针对变电站设备温度监测的具体问题，提出了一种基于无线通信技术 的监测系统设计，实现电站设备温度的采集、传输、分析和管理。这种分布式采 集、低功耗无线传输的设计方案可以节省传统的布线开支，同时主控室监测计算 机集中处理的方式方便电站工作人员对数据的管理和调度，为无人值守的变电站 综合自动化建设提供了理论和现实意义。 课题主要完成了以下几个方面的设计与实现： ( 1 ) 网络节点的设计与实现 网络节点的设计包括温度数据采集节点和中心节点的设计，分为硬件设计和 软件设计两部分。硬件设计采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 和n r f 9 0 5 为核心芯片，节点由各个 功能单元组成。温度数据采集节点主要负责将采集到的温度数据返回给中心节点， 中心节点收集了各个子节点的数据之后，分析处理，并等待上位机的通信命令， 同时不断巡检温度数据采集节点。 ( 2 ) 系统通信模式的设计 系统通信模式指的是温度数据采集节点与中心节点、中心节点与主控室监测 计算机之间的通信。一个中心节点和若干个温度数据采集节点采用星型网络拓扑 结构，每个中心节点有一个软件设置的唯一的地址，温度数据采集节点的地址由 五位拨码开关设置而成。中心节点可以向所有子节点发送消息，各个子节点采用 c s m a 或t d m a 通信协议给中心节点发送数据，子节点之间不互相通信。中心节 点和上位机之间的通信采用r s 4 8 5 总线，主从通信方式，并设计了五条通信命令， 实现对节点参数的配置、数据的读取等功能。 ( 3 ) 通信协议的设计与开发 系统通信协议包括无线网络内部的t d m a 协议、c s m a 协议，以及中心节点 和上位机之间的通信协议。c s m a 协议是一种竞争型的m a c 协议，用于温度数据 采集节点上电后加入网络的过程，可以提高无线资源的利用率；t d m a 协议用于 温度数据节点给中心节点返回温度数据的过程，可以避免节点通信冲突。考虑到 当某个现场出现突发紧急状况时，该设备的温度数据采集节点需要优先给中心节 点返回数据，而不是等待固定时隙的到来再发送数据，在设计的过程中，特意地 5 9 第6 章总结与展望 设计了一种基于优先级的时隙动态分配的t d m a 协议，提高系统实时处理能力， 同时这也是课题在协议方面的改进和创新工作。中心节点与上位机之间的通信由 串口通信命令完成，实现主控室监测计算机对监测系统的管理和操作。 ( 4 ) 温度数据采集节点低功耗设计 温度数据采集节点使用电池供电，为了尽可能延长节点的生命周期，设计过 程中应充分考虑低功耗设计。低功耗设计从硬件和软件两方面来实现。硬件方面， 在芯片的选取上从主芯片到各个单元电路的芯片，都尽可能选择低功耗节能型的 芯片，当某个单元不需要工作时，关闭该单元电路；软件方面主要利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的低功耗模式，一旦不需要使用m c u 了就使其进入休眠模式，中断再唤醒。同时 当n r f 9 0 5 不收发数据时，关闭射频单元，最大限度节能。 ( 5 ) 系统抗干扰设计 变电站的电磁环境恶劣，干扰严重，因此节点必须具有很强的抗干扰能力。 课题从硬件和软件抗干扰设计出发，具体的措施有：印刷板工艺抗干扰、金属屏 蔽技术、看门狗技术、尽量采用查询代替中断、c r c 校验、睡眠抗干扰等。 ( 6 ) 上位机监测软件的设计与开发 上位机监测软件是以v i s u a lc + + 6 0 开发平台设计的，它是电站工作人员与监 测系统相互交流与沟通的平台。温度监测系统软件通过r s 4 8 5 总线实现对节点通 信设置、网络搜索、节点设置、实时数据的存储和显示、历史数据的管理等，这 些功能操作都通过课题设计的非常形象的人际交互界面来实现。 变电站设备监测的内容广泛而复杂，本论文设计的变电站温度无线监测系统 只是变电站监测系统的一个方面，要将无线监测技术广泛应用于变电站监测，还 需要研究更多针对变电站环境和设备信息的传感器节点。电池供电和电站电磁干 扰严重这两个问题的存在使得节点低功耗和抗干扰设计成为课题产品化的关键之 处，这也是课题后续工作亟待加强和完善之处。 鉴于实验条件的限制，课题设计的系统没能直接在变电站环境中进行试验， 只实现了实验室环境下的测试和调试。由于时间和能力的有限，在设计过程中难 免有些问题考虑不全面，疏漏之处仍需在今后的学习和工作中不断改进和完善。 变电站设备温度无线监测系统设计与实现 参考文献 【l 】干晓英电力系统设备状态监测的概念及现状煤炭技术，2 0 0 4 ，2 3 ( 6 ) ：4 1 4 2 【2 】朱洁基于g r p s 的电力行业分布式监测系统的研究与应用：( 硕士学位论文) 南京：南京工业 大学，2 0 0 5 【3 】龚静配电网综合自动化技术北京：机械工业出版社，2 0 0 8 【4 o j v a h a m a k a r ep r o t e c t i o n 鹤i n t e g r a t e dp a r to fl i n ep r o t e c t i o nr e l a y s s o u t ha f r i c a np o w e r s y s t e mp r o t e c t i o nc o n f e r e n c e ，2 0 0 2 【5 】叶福军电力变电站温度智能监测网络研究与实现计算机测量与控制，2 0 0 9 ，1 7 ( 1 ) ：1 1 1 1 1 3 【6 】刘建民变电所设备温度微帆实时监测系统电工技术，2 0 0 2 ( 11 ) ：3 3 3 4 【7 a d ej o n g h i n t e r n a la r cs p e c i f i c a t i o n sa n dp r o t e c t i o nf o rm e t a l c l a ds w i t c h g e a r e s ia f r i e a 。2 0 0 2 【8 】幸晋渝，刘念，郝江涛电力设备状态监测技术的研究现状及发展继电器，2 0 0 5 ，3 3 ( 1 ) ：8 0 8 3 9 】薛鹏电力系统热故障无线监测技术的应用中国设备工程，2 0 0 9 ( 1 1 ) ：2 0 2 1 【10 b i l k e rl e x i c a l ，s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ：m o v i n gt o w a r dc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ， e l e c t r i c a lw o r l d ，2 0 0 0 ( 4 ) 【1l 】余海涛高压变电站无线自动测温控制系统研究：( 硕士学位论文) 天津：天津大学，2 0 0 7 【12 】t h