硅谷：低功耗无线路由网络在电力线路检测上的应用 |
| 2012-11-21 10:46 作者：张幼涵 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月21日文】据《硅谷》杂志2012年第17期刊文称，介绍一种通过低功耗单片机控制的无线通讯设备，内部设置有无线路由机制，可以稳定可靠的将数据通过ISM频段无线网络传输出去，并通过计算机程序进行接收和分析。
0引言
在我国的配电网运行系统中，线路长分支多，运行方式复杂，短路、接地故障发生频繁，故障查找往往费时费力，尤其是在天气恶劣的环境情况下，巡线查找就更加困难。针对目前配电网的运行特点，我公司研发的线路故障在线监测系统是应用于35Kv及以下电力线路故障的在线监测、报警，是一套具有远程传输能力的分布式监控、集中管理即时通讯型的智能化故障监测管理系统。实时监测电力线路的运行状态，一旦线路发生短路、接地故障，便能准确迅速告知线路管理人员，使故障得到快速、准确的处理，增强供电可靠性，提高用户的满意度。
在目前市场环境中，需要设计生产一种可以实现中短距离无线通讯的数据通讯产品并应用到电力行业，而这种产品设计面对的主要问题是无线通讯可靠性差、通讯距离短、通讯成功率低等问题，目前现有的单线程无线通讯机制由于受干扰因素较多，极易在通讯中途被打断，导致整个通讯系统崩溃。所以本设计的意图即为设计一种多线程复合通讯机制，当任意一条通讯线路出现干扰或阻断，都有后备通讯设备进行补充和替换，确保通讯的安全可靠。
比较常见的方式为建立路由表，拓展路由深度，每一级都有若干路由映射，这样如果通讯失败后，设备会自动在路由表中找到可以替换的另一级节点作为替换。
1设计技术总述
1.1路由结构
在本设计应用中，所谓路由表，是在设备中存储一个动态存储数据空间，随着通讯设备的每次通讯尝试，在信号强度、环境干扰程度、通讯成功率、通讯可靠性等方面自动做出选择，优选一条通讯成功率较高的线路作为下次通讯的默认路由路径，同时因环境变化是不可预知的，当通讯次数累计达到若干次后（默认为6次），设备自动更新路由表，也就是说，当设备所处环境变化较大，或设备周边干扰增多影响设备的通讯可靠性时，设备可以自动更改路由线路，当实在找不到合适路由路径时候，产品自动进入待机状态休眠1分钟，然后如此循环间歇工作，节省功耗。该休眠和唤醒的周期比例，需要兼顾稳定工作和节能工作的需求，占空比例应该为3:1左右。经过计算，按该比例可以实现平价功耗在50uA左右。
1.2设计选型
本设计产品的主要工作就是为经过本产品的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点，所以本产品基本上采用静态路由表模式，但由于本设计采用低功耗设计，在现场只能使用电池供电的方式，所以对于功耗的要求相对就比较高。根据对应产品体积和空间，电池容量有限，所以基本选型如下。
核心控制芯片，采用低功耗微处理器，目前业界功耗最低的为美国TI公司的MSP430单片机，休眠模式最低功耗可以达到0.1uA左右。
无线通讯方面，采用SiliconLabsEZRadioPRO系列ISM频段无线芯片SI4432，在240-960MHZ频段下最大输出功率可以达到+20DBm。
频率范围240-960MHZ
接收灵敏度-117dBm
通讯波特率1-128kbps
发射功率11-20dBm
供电电压1.8-3.6v
在关断模式下电流为10nA
在休眠模式下电流为300nA`
路由表存储器：本设计根据实际需求，需要较多的存储空间保存路由信息，并把根据通讯成功率把对应的路由路径保存在外部存储器内，同时对于功耗的要求也比较高，根据以上需求，选用AT24L16芯片，此芯片采用EEPROM存储结构，工作电压1.8v-5.5v，IIC通讯总线，共有16K位存储空间（2K字节空间），SOP8封装，尺寸小便于PCB设计。
设备供电系统：采用2.4AH锂氩硫电池，使用寿命在10年以上，最大放电电流在1A以上。
2设计结构图
该设计正常工作状态，MSP430单片机以每10毫秒采样周期采样，当线路负荷电流根据单片机内部计算公式满足特定数据形式，即可进入特殊工作状态，在该状态下，MSP430单片机首先检索24L16内存储的路由表信息，当路由表信息为空或路由表格累计通讯错误次数超过限定范围后，讲重新清空路由表累计信息，单片机通过SI4432通讯模块和上下位通讯终端进行握手连接，当握手成功后，MSP430单片机将需要发送的数据进行数据压缩并打包发送，同时由于空间干扰的存在，在数据发送过程中，不可避免的需要进行无线防碰撞机制的设计，既当产品发送数据之前需侦听空间无线，在本身信道内是否有数据在通讯，当检测到有其他通讯占用信道时候，本机自动停止发送，并延迟一个随机数的秒级延时段，当时间到后，再进行第二次侦听，如果还有信道占用，则进行第三次侦听；满足三次侦听都被占用后，设备将停发该次发送数据包命令，并使设备进入休眠状态；等待一分钟后进行下一次的侦听发送，这样也是为了节约产品功耗。综合以上设计要素，整机功耗在实际测试的基础上计算的结果为80uA左右，满足了用户的长期野外无人值守操作的要求。
3计算机调试软件
计算机调试软件为人机接口界面，为方便调试和使用，本设计采用微软公司的VisualBasic6.0进行编制，vb6的优点在于开发方便快捷，通用性好，同时可扩展资源丰富，所以在工业产品开发方面被广泛采用。
程序代码举例：
单片机C语音代码段
#include<msp430x14x.h>
voidmain(void)
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; 关闭内部看门狗
Init_port(); 初始化单片机端口
Init_si4332(); 初始化无线模块
Init_USART0(); 初始化串口
_EINT(); 开中断
while(1) 主循环
}
VB程序代码段
PrivateSubMSComm1_OnComm()
Diminps()AsByte
inps=Me.MSComm1.Input
s=inps //接收数据
EndSub
4结束语
该产品经过设计及生产实践后，实际稳定运行3年左右时间，数据可靠性及稳定性都得到了用户的认可，在无线通讯领域，该通讯机制弥补了原有的普通通讯的可靠性差问题，同时又兼顾了ISM频段无线通讯的方便快捷及易普及性，对于普及无线通讯网络，实现智能电网可监测方面都将产生较大影响。
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