基于SI1000的输电线路状态监测单元的设计

摘  要： 提出了基于SI1000无线SoC片上系统的输电线路在线监测单元的设计方案。详细介绍了输电线路监测单元的硬件和软件设计方法。该监测单元的适用性广，在无人值守、没有市电、短距离长期监测的场合尤为适用。
关键词： SI1000； 输电线路； 无线传输； 微功耗； 长期监测
       在架空输电线路状态监测领域中，需要针对导线温度、金具温度、导线弧垂、绝缘子风偏、覆冰厚度、微风振动等参数进行长期监测。由于各类参数的监测单元安装位置是在输电线路上,因此要求其体积尽可能小、重量轻、安装方便。由于针对线上取电，相关部门有严格的条件要求，因此必须考虑合理的方式来解决监测单元的供电问题。针对以上的应用场合，本文介绍了一种微功耗的无线监测单元，采用了无线SoC片上系统的设计方案，使得其体积小、重量轻、功耗极低，仅使用电池供电，可以满足监测单元在长期无市电的条件下可靠正常工作。
1 工作原理
     无线监测单元工作原理框图如图1所示。
   
       无线监测单元安装于架空输电导地线上，负责各类传感要素的测量，例如导线温度、金具温度、导线弧垂、导线风偏等。传感器将采集到的电测量接入微控制器SI1000，经SI1000处理后得到相应的物理量，然后通过无线射频接口RF发送到在线监测单元。无线监测单元的电源采用锂电池供电，降低了监测单元对外部电源的依赖性。在线监测单元通过SI1000单片机的无线射频接口接收来自无线监测单元的数据，采集到的数据经过数据处理后，提供给远程主站，主站可对输电线路运行状态进行实时的监测。由于在线监测单元的安装位置不在架空线路上，其电源可通过多种方式提供。
     每个无线监测单元有自己唯一的ID，主站可通过该ID地址来识别线路传感器的类型和位置。无线监测单元采用自报的方式向主站系统传送数据，每隔一定的时间间隔向主站报送数据，平时无线监测单元处于掉电状态，因此无线监测单元功耗很小，可长期在无外部电源的供应下在线工作。
2 硬件设计
2.1 SI1000单片机功能特点
     SI1000是一款微功耗、小体积并具备强大无线通信功能的51类型的单片机，作为无线采集单元的核心部件,负责采集传感器的信号并通过无线射频接口与主站通信。该芯片由美国Silicon Labs公司推出，内部集成了25 MHz的8051内核、EZRadioPRO系列的射频模块、64  KB的Flash、4 KB+256 B的RAM,封装在5 mm×7 mm的42-pin QFN 贴片中。
     该处理器工作在掉电状态仅有0.1 ?滋A左右的电流，仅内部RTC工作时，功耗为0.6 ?滋A。SI1000微控制器内部使用四线制SPI总线(MOSI、MISO、SCK和NSS)与射频模块进行通信，SI1000将射频模块作为外设进行访问，可以通过设置射频模块的寄存器灵活配置射频收发的各项参数。SI1000内部的EZRadioPRO系列射频模块输出频率符合ISM标准，可从240 MHz~960 MHz调制输出。具有接收、发送、空闲、掉电等多种工作模式，以满足低功耗的应用要求，不同模式之间通过寄存器设置可自由切换。具有FSK、GFSK、OOK等多种无线传输调制方式，最大输出功率达到20 dBm，接收灵敏度为-121 dBm，点对点最大传输距离能到2 000 m。具有AFC自动频率控制功能，有效减小由于晶体精度、工作温度引起的频率误差。
2.2电路原理
     无线监测单元的硬件电路原理如图2所示，主要由电源、看门狗电路、无线射频匹配电路、传感器电路和SI1000单片机构成。