CN109459649A - 一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统，包括RFID电子标签、接地线信息采集终端、ZigBee无线网络、上位机四部分。电子标签与作业现场接地桩匹配，每个标签的ID号与每个接地桩的编号相对应，装设地线的同时装设接地线信息采集终端，当地线挂接到接地桩上时，终端的RFID阅读器可以读到接地桩上悬挂的标签信息，即可得知接地线准确的作业位置与作业开始时间，地线拆除时，标签脱离终端读卡器覆盖范围，发送拔卡(对应地线拆除)信息，可知地线作业结束的准确时间。终端上的ZigBee芯片通过自组织无线网络将数据发送给与上位机相连的协调器，协调器将信息汇总通过串口发送给上位机，上位机将接收的数据以图形方式显示和分析处理，对异常状况给予警示。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及接地线在线监测领域，特别涉及一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统。
背景技术
电力系统中，接地线是保护工作人员免遭触电伤害最直接的措施，但目前我国在电力工程运行维护施工现场普遍采用的是靠人工方式检查临时接地线，手段原始，效率低下且易发生安全事故。而现有的地线管控系统大多采用 RS485等有线传输方式，或GPRS等收费通信手段，需耗费大量人力物力。
射频识别（RFID）属于非接触式自动识别技术，能通过射频信号快速、实时、准确采集与处理标签信息。应用RFID技术采集挂接状态信息，可保证识别的准确性和唯一性。而数据传输方面，考虑到地线挂接状态信息数据帧长度一般只有几到十几个字节，传输距离覆盖整个变电站即可，可采用ZigBee技术，它是一种近距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术，传输速率为250kb / s，既能保证数据的实时传输，又可降低功耗，延长系统工作时间。ZigBee技术可以通过组建多跳网络将采集到的数据传送到汇聚节点，汇聚节点根据一个或多个节点所采集到的信息对事件进行监测。
本发明借助RFID和ZigBee等先进通信技术，设计了一种临时接地线在线监测系统，既能实现对变电站作业现场接地线的挂接和拆除位置、时间的判断，为检修人员提供准确的提示，又可省去现场布线的浩大工程和昂贵的通信运营费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统，通过以下技术方案来实现：
系统需要由RFID电子标签、接地线信息采集终端、ZigBee无线网络、上位机构成，系统结构如图1所示。图1中，电子标签与作业现场接地桩匹配，每个标签有其独一无二的ID 号，每个接地桩有一个唯一编号，标签ID号与接地桩编号一一对应。检修作业时，装设地线的同时装设信息采集终端，当地线挂接到接地桩上时，终端的RFID阅读器可以读到该接地桩上悬挂的标签信息，即可得知该接地线准确的作业位置与作业开始时间。而当地线拆除时，标签脱离终端读卡器覆盖范围，发送拔卡(对应地线拆除) 信息，此时可知该地线作业结束的准确时间。终端上的ZigBee芯片通过自组织无线网络将数据发送给与上位机相连的协调器，协调器将信息汇总，通过串口发送给上位机，上位机将接收的数据以图形方式显示和分析处理，对异常状况给予警示。
本发明的系统硬件设计主要是接地线信息采集终端的设计，包括单片机控制模块、RFID射频识别模块、ZigBee无线通信模块、电源模块、电池容量监测模块，接地线信息采集终端的组成如图 2 所示。其中RFID射频识别模块读取标签信息；MCU控制模块对数据进行加工处理同时负责整个终端的总体控制；ZigBee模块完成数据的传输；电源部分调整各模块供电电压；电池容量监测模块实时监测电池容量，当容量不足时，向上位机发送告警信息。所述单片机控制模块采用STC89C52芯片，外围电路设计包括晶振电路、复位电路、USB转串口电路、电源电路，电量监测电路。
所述RFID射频识别模块采用MFRC522作为读卡芯片，MFRC522与单片机之间采用SPI 接口。
所述ZigBee无线通信模块采用 CC2530F256芯片，CC2530F256芯片与单片机通过RS232 串行通信接口进行数据传输。
所述电源模块采用高效线性稳压器AMS1117，给单片机供电采用AMS1117－5.0V，给RFIDRFID射频识别模块和ZigBee无线通信模块供电使用 AMS1117－3.3V。
所述电池容量监测模块采用三线式直流电压表。
所述LCD显示器采用LCD12864，由AVR单片机驱动并显示测量而得的频率。
本发明的系统软件主要包括终端软件和上位机软件两部分，分别实现终端信息采集传输和后台信息处理。
本发明的有益效果为：能实现对变电站作业现场接地线的挂接和拆除位置、时间的判断，为检修人员提供准确的提示，又可省去现场布线的浩大工程和昂贵的通信运营费用。
附图说明
图1是所述接地线在线监测系统的系统结构图。
图2是所述接地线在线监测系统的信息采集终端组成框图。
图3是所述接地线在线监测系统的单片机外围电路图。
图4是所述接地线在线监测系统的终端软件主函数流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1所示为所述接地线在线监测系统的系统结构图，主要包括RFID电子标签、接地线信息采集终端、ZigBee无线网络以及上位机。
系统硬件设计主要是接地线信息采集终端的设计，包括单片机控制模块、RFID射频识别模块、ZigBee无线通信模块、电源模块、电池容量监测模块几个部分，终端的组成如图2所示。其中RFID射频识别模块读取标签信息；MCU 控制模块对数据进行加工处理同时负责整个终端的总体控制；ZigBee模块完成数据的传输；电源部分调整各模块供电电压；电池容量监测模块实时监测电池容量，当容量不足时，向上位机发送告警信息。
单片机控制模块为核心部分，主要完成处理读卡器获取的卡片信息，将处理后的数据帧发送给 Zig-Bee模块，控制电量监测电路和电源电路等功能；单片机控制模块采用STC89C52芯片，外围电路设计包括晶振电路、复位电路、USB 转串口电路、电源电路，电量监测电路以及与其他芯片的接口电路。单片机外围电路图如图 3 所示。其中USB转串口电路采用USB总线转接芯片CH340T，方便程序调试和数据观察；电源稳压电路采用高效线性稳压器AMS1117，给单片机等供电采用AMS1117－5.0V，给RFID和ZigBee 等无线模块供电使用AMS1117－3.3V；电量监测模块采用三线式直流电压表，当电压值低于下限值时，电压表蜂鸣器鸣叫，单片机空闲I /O口P2.3通过感知蜂鸣器引脚电平变化判断电池是否需要充电。
RFID射频识别模块采用MF RC522作为读卡芯片，MF RC522芯片首先对需要发送的数据进行调制，然后将待发送无线信号通过天线以射频脉冲的形式发送出去；ISO 14443A/ MIFARE卡对无线射频场的调制进行响应，天线接收响应信号后通过匹配电路送到芯片RX脚，芯片的接收缓冲器对调制后的信号进行检测和解调并进行处理，处理后的数据最终通过数据接口由单片机控制模块读取；MF RC522 与单片机之间采用SPI接口，二者通信时MFRC522作为从机，SPI时钟 SCK 由单片机产生，数据通过MOSI线从单片机传输到RC522，通过MISO线从RC522发回到单片机。ZigBee无线通信模块采用TI公司最新一代ZigBee SOC芯片CC2530F256，ZigBee模块组建网络时首先选择相对空闲的信道，然后配置不与其他网络冲突的 PAN ID，终端节点加入网络时需向协调器发送关联请求命令，协调器收到后回复一个确认帧( ACK)，当协调器mac层上层收到连接指示原语后，给终端mac层发送响应，为其分配一个16位的短地址，此时终端即成功加入网络可开始通信；2530芯片与单片机通过RS232串行通信接口进行数据的传输，然后与其父节点或协调器通信，通过组建具有冗余链路和自愈能力的网状网进行数据上下行传输。
系统软件主要包括终端软件和上位机软件两部分，分别实现终端信息采集传输和后台信息处理。
终端软件设计主要是单片机识别RC522读卡与拔卡信息，将得到的信息进行处理，再将数据帧按照一定的时间间隔传送给ZigBee芯片。终端开始工作后，首先进行系统的初始化，包括RC522 读卡器初始化，天线初始化，以及单片机各寄存器初始化。硬件准备就绪后，发送一条开机信息，开机信息中包含读卡器的编号，上位机可以知道几号读卡器正在准备工作。然后进行寻卡动作，通过寻卡函数返回的状态字，判断卡片是否在读卡器天线覆盖范围。因为卡片读取过程中存在抖动，所以寻卡3次以保证判断正确，通过for 循环将3 次的寻卡状态字保存到数组中。如果3次都寻不到卡片，说明天线覆盖范围内没有卡片，则一直等待; 如果3次都返回寻卡成功状态字，说明卡片一直在天线覆盖范围内，则依次进行防碰撞， 选定卡片等流程，其中防碰撞函数返回卡片ID，将卡片ID根据制定的通信规约增加帧头帧尾、CRC校验字段、电量告警字段、数据帧编号字段、读卡器编号字段等信息，组成读卡数据帧，通过串口发送出去，此时上位机可判断地线在什么时间挂接在哪个接地桩上;如果寻卡状态从成功到失败，说明卡片从有到无，即卡片拔除，则发送拔卡信息，此时上位机可得知地线拆除的时间和地点。主函数流程图如图4所示。
上位机软件主要功能包括数据接收、图形化显示、分析处理、通信可靠性监测几部分。其中数据接收以串行方式从数据帧中提取采集的数据信息；图形显示模块将这些信息清晰、生动地呈现在现场一次接线图中；数据分析处理对接收数据中的终端和通信网络异常给出告警提示；通信可靠性监测对通信丢包率、网络拥塞情况统计监测。
Claims (8)
1.一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统，其特征在于：包括RFID电子标签、接地线信息采集终端、ZigBee无线网络以及上位机；接地线信息采集终端将获取的信息通过ZigBee无线网络将数据发送给与上位机相连的协调器，协调器将信息汇总，通过串口发送给上位机，上位机将接收的数据以图形方式显示和分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统，其特征在于：所述RFID电子标签与作业现场接地桩匹配，每个标签有其独一无二的ID号，每个接地桩有一个唯一编号，标签ID号与接地桩编号一一对应。
3.根据权利要求1所述的一种基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统，其特征在于：所述接地线信息采集终端，包括单片机控制模块、RFID射频识别模块、ZigBee无线通信模块、电源模块、电池容量监测模块。
4.根据权利要求3所述的接地线信息采集终端，其特征在于：所述单片机控制模块采用STC89C52芯片，外围电路设计包括晶振电路、复位电路、USB 转串口电路、电源电路，电量监测电路。
5.根据权利要求3所述的接地线信息采集终端，其特征在于：所述RFID射频识别模块采用MFRC522作为读卡芯片，MFRC522与单片机之间采用 SPI 接口。
6.根据权利要求3所述的接地线信息采集终端，其特征在于：所述ZigBee无线通信模块采用 CC2530F256芯片，CC2530F256芯片与单片机通过RS232 串行通信接口进行数据传输。
7.根据权利要求3所述的接地线信息采集终端，其特征在于：所述电源模块采用高效线性稳压器AMS1117，给单片机供电采用AMS1117－5.0V，给RFIDRFID射频识别模块和ZigBee无线通信模块供电使用 AMS1117－3.3V。
8.根据权利要求3所述的接地线信息采集终端，其特征在于：所述电池容量监测模块采用三线式直流电压表。
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Cited By (1)
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| CN109813996A (zh) * | 2019-03-19 | 2019-05-28 | 贵州电网有限责任公司 | 一种变电站检修作业接地线状态监测装置及监测方法 |
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2018
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