0 引言
具有“世界工厂”称号的东莞，在新的经济形势下，工业自动化水平不断提高，工业园内对电源敏感的高科技电力设备越来越多，电能质量的实时监测是提高生产效率、节能减排、安全生产的关键，本文针对东莞高科技产业园对电能质量的要求，提出了一种基于ZigBee无线
传感网络的电能质量实时监测系统。该系统不仅具有强大的测量和通信功能，而且具有组网方便、动态拓扑、低成本、大容量、高可靠性的特点，能很好地满足高科技工业园电能质量实时监测的实际需要。
1 系统概述
系统结构如图1所示，由数据采集节点，ARM9S3C2440控制模块(汇聚节点)、本地上位机、远程监测管理中心组成，数据采集节点分布在每个需要监测的电源点，比如：每台精密加工设备，每台变频调速驱动器，自动化生产线等；S3C2440模块(汇聚节点)分布在离数据采集节点约40 m距离的范围内，本地上位机分布在各厂监控室，远程监测管理中心放置在工业园电力管理中心，各部分的功能如下：
(1)数据采集节点：由电压、电流互感器、信号调理电路、频率同步电路、A／D、DSP及ZigBee模块组成，电压、电流互感器将从电网上得到的电压、电流信号转换成适合A／D转换的交流小信号，经滤波后输入到A／D转换器，DSP读取A／D转换结果并进行相关电能质量参数运算和分析，分析结果通过CC2530无线通信模块传送至ARM控制中心，频率同步电路的作用是减小非同步采样造成的FFT算法中的栅栏效应。
(2)S3C2440模块(汇聚节点)：由ARM9 S3C2440、SDRAM、ZigBee模块、以及看门狗、时钟等外围电路组成。S3C2440模块是系统下位机的管理控制中心，负责数据采集节点和本地上位机之间的通信与数据交换，ZigBee模块作为协调器，负责通信链路及路由的建立以及数据包协议转换等。
(3)本地上位机：本地使用PC作为上位机，完成数据收集、数据分析、结果显示及存储等功能。
(4)远程监测管理中心：远程用户通过互联网接入本地上位机的服务器平台，通过“终端一服务器”的形式完成对本地上位机的操作，从而实现数据和信息的共享。
2 无线收发器
在常用的无线传感协议中，ZigBee以其覆盖范围宽、容量大、组网简单、网络可自由扩展、联网耗时低、安全、低功耗、低成本等优势受到更多的关注，本系统选用CC2530 ZigBee模块作为无线收发器，CC2530是TI在2009年推出的，在CC2430的基础上根据CC2430实际应用的一些问题做了一些改进，存储容量最大支持到256 KB，可编程的输出功率高达4．5 dBm，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，通信距离最远可以达到400 m，对于中小型工厂，不用外加功放来扩展距离，只需要一个汇聚节点即可满足全厂范围内的电能质量监测，强大的5通道DMA控制器使硬件外设能实现数据的高效传输，从而满足系统实时监测的需求。
CC2530电路原理如图2所示，CC2530与S3C2440通过UART0连接，与DSP通过串口连接。电路中的C251，C261，L1共同作用为CC2530的内部PA和LNA提供直流偏置，C252，L261和C262，L252分别是LC巴伦电路的低通滤波电路和高通滤波电路，它们负责差分信号和单端信号之间的转换和阻抗匹配，L2，C1，L3是pi型滤波电路。
2．1 射频电路及天线设计
为了提高射频模块的兼容性和抗干扰性，同时方便调试，本设计将数据采集、分析及处理模块与射频收发模块分别设计成2个不同的PCB CC2530芯片及其外围电路、电源以及接口电路集成在长度36 mm、宽度25 mm的印制电路板上。
PCB板设计采用双层板，为了避免两层接地层沿铜皮走线产生电位差，在上下两层的开放区和芯片底部添加过孔，使整个模块能够充分接地，使地面保持等电位。导通口距离计算公式如下：
式中：c表示光的传输速率；εr表示板子的介电常数，本设计中为63．2 mil。
采用Cadence的Allegro PCB Design GXL软件进行手工布线，生成PCB版图。布线的时候要注意以下几个方面以提高其电磁兼容性：
(1)在敏感信号周围用接地孔，或者用封闭的壳来进行屏蔽，减少干扰。
(2)在射频端口采用差分线路以提高抗干扰能力，布差分线的时候采用Cadence的约束管理器，使设计的PCB满足差分走线长度匹配规则。
(3)采用ADS的line_calc工具进行馈线设计实现阻抗匹配，避免反射信号。
(4)晶振下层不布线，走线尽量短，并远离其他敏感器件。
2．1．1 天线设计
设计采用印制倒F天线，选择相对介电常数为4．5，敷铜厚度是0．035 mm，厚度为1．0 mm的FR-4板材，倒F天线的结构如图3所示。天线的建模与仿真采用HFSS软件，参考TI公司提供的2．4G IFA的设计尺寸，以及文献中关于倒F天线的输入阻抗与天线尺寸之间的关系，通过分析计算，反复微调各个参数，在谐振频率约为2．45 GHz，阻抗接近于50 Ω时，设计的天线参数见表1。
2．1．2 巴伦电路设计
CC2530的收发是通过差分端口RF_P，RF_N来完成信息的收发的，因为CC2530射频端口是一个差分端口，而天线端是单端口，所以需要匹配电路进行端口转换并实现天线的50 Ω到差分端口的阻抗匹配，图2中的L261，C262，L252，C253组成巴伦电路用以平衡转不平衡。巴伦电路的L，C计算公式如下：
式中：Zout和Zin分别是芯片射频端口和天线端口需要匹配的阻抗值。根据TI的CC2530的芯片手册，系统在工作频率，射频端口的阻抗是(69+j29)Ω，倒F天线的特征阻抗是50 Ω，可以计算得到各元件参数值。
(1)使用Agilent公司的ADS软件进行电路原理图仿真来验证巴伦电路的特性，设置扫描频率为2～3 GHz，仿真结果显示在2．45 GHz天线端口的回波损耗为-26 dB，如图4所示。天线端阻抗为(50．407-j1．542)Ω。
(2)采用TI公司的专用于评估和配置射频硬件的应用程序SmartRF Studio 7进行CRC校验、RSSI及丢包测试，实验结果显示接收数据的CRC正确，RSSI值符合随发送功率线性增长的规律，丢包测试中，当射频模块通信的平均RSSI为-56dBm，接收了156个数据的时候丢包率为4.1％说明通信质量可行。
(3)分模块进行实际测试，采用频谱分析仪对巴伦匹配电路的输出信号进行频谱分析，通过调节匹配电路的电感电容值大小，使巴伦匹配电路的输出端在2．45 GHz频率的信号峰值达到最大。天线测试时将50 Ω同轴线一端的内芯焊接到天线的馈电测试点，外层就近接地，另一端通过带SMA接头的校准线连接到安捷伦公司的E5071矢量分析仪进行测量，测试频率为2～3 GHz。实际测得在2．45 GHz天线端口的回波损耗为-22 dB。
2．2 通信软件设计
通信程序设计采用ZigBee2006协议栈为开发模板，通过在应用层添加自己的应用程序来实现。数据采集节点的程序流程如图5所示。
3 结论
本文提出的基于无线传感网络的大型工业园电能质量实时监测系统，利用ZigBee无线传输模块实现ARM与DSP之间的通信，省去了复杂的布线环节，节约了大量的精力和成本，在实际组网点对点通信测试中，无线传输模块的室外直线传播距离超过300 m，室内有障碍时传播距离超过40 m，最大传输时延小于80 ms，具有自组网功能。该系统可对电网谐波的有效值、功率及功率因数、谐波畸变率、谐波含有率、电压波动与闪变、三相不平衡度等多种电能质量参数进行测量。系统具有低成本，高可靠性，高容量、组网简单等特点，适用于工业园中自动化生产线精密仪器、设备的电能质量的实时监测，对高科技工业园提高生产效率，节能减排具有实际意义。