无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计毕业论文

《无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计毕业论文（22页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计 摘 要电力能源作为重要的能源之一，社会对电力工业保证电力能源供应质量有着极高的要求。在电网中，二次设备构成的系统一般称为监控系统，负责对一次设备的工作状态进行采集及控制。建设完备的电网监控系统其核心目的就是为了使电力部门及时监视电网的运行状况，通过分析计算，不断优化调整电网运行状况，进而保证供电质量。本文所研究的是集嵌入式计算机技术、微波通信技术为一体的无线通信子系统在城市电网监控系统中的应用分析与设计，从软件、硬件和可靠性三个方面进行探讨和研究，对保障城市电网监控系统的通信畅通起到非常重要的作用。本课题采用WiFi和ZigBee设备分层次混合

2、组网的体系结构。通信系统可以分为三层：底层通信网络设备分散于电网二次设备侧，采用ZigBee技术完成二次设备电网信息的数据远传功能；中间层通信网络设备采用WiFi技术，通过串口以太网转换器连接底层通信子网络，采用标准以太网接口与中心层有线局域网联网；中心层通信子网由必要的光端机、交换机、路由器构成，完成机房局域网与前两层通信网的互联。同时，文章还给出了系统的可靠性和抗干扰的措施，使系统能够稳定可靠地工作。本文的主要工作和研究内容如下：电网监控系统通信的具体需求分析，为系统的设计提供科学依据。通信组网方案编制，进行整体设计,将硬、软件按实现的功能划分成不同的子网。ZigBee通信设备的开发，设计

3、硬件电路及画PCB板。ZigBee通信设备的嵌入式软件开发。WiFi设备的选型。联机调试及系统优化。关 键 词：城市电网；监控系统；WiFi；ZigBee；嵌入式；抗干扰研究类型：应用研究Subject : Analyse and Design of Wireless Communications Network For urban power grid Morniting and Control SystemSpecialty : The application of computerName : Fengbo Cheng (Signature) Instructor : Shangfu G

4、ong (Signature) ABSTRACTCore purposes to building a complete power grid monitoring system is to make the electricity sector timely surveillance operation of the power grid and constantly optimize the operation of power grids, in turn guarantee the quality of power supply. In this paper, the study is

5、 wireless communications subsystems in the urban power grid monitoring system.Analysis and design uses WiFi and ZigBee mixed networking equipment in a hierarchical architecture. Communications systems can be divided into three layers: the underlying communications network equipments which powered by

6、 ZigBee technology scattered around the grid secondary equipment side; middle layer communications network equipments used WiFi technology installed in the power grid to connected underlying layer communications network; center layer of the communication network Composing by the necessary fiber opti

7、c transmission machine, switches, routers. Finally, the article also gives the reliability of the system and anti-jamming measures, allowing the system to be stable and reliable work. The main work and research as follows: analysis the specific communication needs for the power grid monitoring syste

8、m. communications network programming. ZigBee communications equipment development. ZigBee communications equipment embedded software development. WiFi equipment selection. online debugging and system optimization.Keyword : Urban power grid Morniting and control system WiFi ZigBee Embedded microcomp

9、uter Anti-jammingThesis : Application Research目 录目 录1 绪论11.1 选题的背景及研究的意义11.2 国内外城市电网监控系统通信技术现状21.3 本课题的主要工作22 城市电网监控系统的通信需求分析42.1 城市电网的特点42.2 城市配电网自动化改造现状42.3 自动化监控系统的通信需求52.3.1自动化远动信息的通信需求52.3.2自动化电量集抄信息的通信需求72.3.3其他自动化管理信息的通信需求72.4 城市电网监控系统的通信系统环境分析72.4.1通信系统工作电源条件72.4.2通信系统架设走廊条件82.4.3通信系统使用无线信道的

10、频率许可82.5 本章小结93 城市电网监控系统的无线通信系统总体概述113.1 系统结构113.1.1底层通信网络113.1.2中间层通信网络123.1.3中心层通信网络133.2 系统设计采用的技术路线和设计思想143.2.1底层通信子网络的设计143.3 本章小结154 底层通信子网络ZIGBEE通信模块的硬件设计164.1 ZigBee技术介绍164.2 电路绘制软件介绍164.3 电路介绍174.4 使用芯片介绍174.4.1 CC2430芯片174.4.2 RS485接口芯片194.4.3 射频功率放大芯片204.5 控制电路204.6 通信接口电路214.7 功率放大电路224.

11、8 电源电路224.9 本章小结265 底层通信子网络ZIGBEE通信模块的软件设计275.1 IAR Embedded开发系统介绍275.2 IEEE 802.15.4协议栈和标准ZigBee协议介绍285.3 IEEE 802.15.4协议栈的移植315.4 精简ZigBee协议的实现325.4.1网络的建立335.4.2路由设计与实现335.5 模块应用层软件实现345.5.1初始化功能355.5.2路由判断功能355.5.3数据发送功能355.5.4处理网络变化365.6 本章小结366 底层通信网络的应用设计376.1 网络参数的确定方法376.2 网络协调器工作可靠性的保证措施38

12、6.3 ZigBee模块内部运行参数的确定方法386.4 本章小结397 中间层通信网络的设计407.1 通信汇接设备选型407.1.1 RS485-RS232通信协议转换装置407.1.2 RS232-Ethnet协议转换装置417.2 WiFi通信设备选型417.3 本章小节428 中心层通信网络的设计438.1 以太网交换机选型438.2 防火墙设备的选型438.3 本章小节449 设计的实际应用和优化459.1 应用工程简介459.2 应用配置情况459.2.1玉十二线路修复配置459.2.2朝四和朝十路修复配置459.2.3金七线修复配置469.3 实际应用效果469.4 应用中对设

13、计的优化469.4.1 ZigBee通信模块的功率控制优化469.4.2 WiFi设备的无线链路调整479.5 本章小节4710 结论4810.1 本课题所做工作4810.2 下一步要做的工作49致 谢50参考文献51附 录53III1 绪论1 绪论1.1 选题的背景及研究的意义电力能源作为社会生产中重要的能源之一，社会对电力能源的依赖程度一直保持着较高的水平，因此对电力工业保证电力能源供应的质量有着极高的要求。在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。只有实现电网自动化，通过电网监控系统

14、的辅助管理功能，才可能最大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。 这一点，在人口密集、工业高度集中的城市中尤为重要。随着国民经济持续高速增长，人民生活水平不断大幅提高，社会对城市电力能源的需求与日俱增。而与此不对应却是城市电网相对成为整个国家电网的薄弱环节：供电线路配电能力不足，在用电高峰期经常出现大面积拉闸限电；设备陈旧落后、检修任务繁重、人工查询故障、一点故障全线停电、恢复供电速度慢，造成城网供电可靠性较低，即使是相对较好的大城市市区的供电可靠性也仅为99.90%左右，用户年平均停电时间约为8.76h。而发达国家的配电网在70年代就实现了线路的自动查寻并隔离故障和灭弧介质的

15、无油化，之后又一直保持了久盛不衰的配电自动化发展浪潮。目前已实现了以“四遥”为特征的计算机实时控制，使配电网处于安全可靠、经济优质的运行状态。国外现代化大都市的供电可靠率可达99.99%以上，用户全年平均停电时间仅几十分钟。我国城市电网急需进行现代化改造。在这样一种大形势下，国家投资开始了大规模城市电网改造，兴建了大批城市电网自动化监控系统。电网监控系统是一个综合了微电子技术、计算机技术、通信技术为一体的系统，微电子技术主要解决电网状态采集的功能，设备形式为RTU、FTU、TTU或综自等信号采集设备、微机保护设备、电量采集终端及集中设备。电网状态信号经过采集设备转换为数字信号形式送往控制中心计

16、算机进行分析处理，而通信系统正是解决数字信号传输的必经环节，因此，通信系统设计在电网监控系统中具有重要的基础作用。没有可靠稳定的通信系统作支撑，采集设备产生的能够反映电网状态的信息只能存在于电网的各个生产就地，仅能成为“信息孤岛”，不能有效进行全面、综合的集中处理，一方面造成投入巨资建成的监控采集设备能力闲置，另一方面，电网的集中控制以及优化调管也无从谈起，甚至会极大威胁电网的安全运行，造成不可预料的社会影响。因此，为解决监控系统通信的可靠性，电力行业历来在电网建设中把通信系统建设放在重要位置。1.2 国内外城市电网监控系统通信技术现状国内外以往在实施电网监控系统时采用的通信技术方案主要有三种

17、：一、充分利用电网架空电力线为传输载体，采用电力线载波通信技术实现通信；二、利用电网架空线路或电缆沟道的架设走廊，广泛使用通信电缆、光缆等通信技术实现通信；三、采用大微波技术实现通信。这三种通信技术方案各有特点且应用范围也有特定限制。电力线载波方案要求有35kV以上电压等级的架空电力线作为传输载体，仅用于长途高压输电线路上电网的通信。而在以10kV电网为主的城市配电网(含10kV电缆电网)、以0.4kV电网为主的用户侧电网，电力线载波技术因为技术难题而没有应用可能；通信电缆、光缆等有线通信技术虽然没有严格的技术障碍，理论上讲在任何环境下均可应用，但从实施角度讲则存在架设走廊的限制和成本较高的不

18、足，体现在城市电网通信架设走廊的建设速度不能跟上城市电网的建设速度，造成电网建设大规模开展与通信架设走廊不足的巨大反差，同时，城市的快速建设过程中因为城市形象、市政设施实际需要而造成的较高的规划变更率也进一步压缩了已有的电网通信架设走廊，更加剧了监控系统通信架设走廊的不足；而大微波通信技术虽然有传输带宽、传输距离和成本的优势，但受微波传输特点的限制，一般仅应用于城市以外的长距离骨干通信网建设。由上述可知，城市电网监控系统系统通信方案实现面临着前所未有的挑战，已经采用的成熟通信技术或多或少受到城市环境的限制不能再更大规模地建设，而与城市经济快速发展所适应的电网建设却必须并且已经毫不间断地铺开。这

19、种形式要求，作为保证电网安全、经济运行必要手段的电网监控系统必须及时跟上电网的建设速度，而通信系统又作为其重要组成部分，也需要拓宽建设思路，引入新型无线通信技术等适合城市环境的通信技术方案以加快通信系统建设。这些技术方案更加适应城市电网监控系统对通信的需求，可以成为监控系统建设可选的技术方案。因此新型无线通信技术在城市电网监控系统的应用分析与设计工作的开展已经刻不容缓。1.3 本课题的主要工作在城市电网监控系统建设中，找到符合城市电网改造环境要求，满足监控系统通信需求，同时具有较高性能价格比的通信技术方案，成为本课题的主要目标。而WiFi、ZigBee等新型无线通信技术的兴起和逐渐成熟，为解决

20、这一主要目标提供了新的研究方向。基于上述分析，本课题围绕新型无线通信技术在城市电网监控系统中的分析与设计，主要作了以下的工作：电网监控系统通信的具体需求分析，为系统的设计提供科学依据。通信组网方案编制，进行整体设计,将硬、软件按实现的功能划分成不同的子网。ZigBee通信设备的开发，设计硬件电路及画PCB板。通过Protel Dxp软件绘制硬件电路原理图和PCB图ZigBee通信设备的嵌入式软件开发。用单片机的C51语言按功能模块进行单片机程序设计，实现ZigBee协议栈及应用层协议开发。WiFi设备的选型。根据组网的具体需求，选择具有桥接功能的企业级户外无线路由器设备。联机调试及系统优化。1

21、52 城市电网监控系统的通信需求分析2 城市电网监控系统的通信需求分析2.1 城市电网的特点城市电网一般由两部分组成：分布于城市外围的高压输电网和主要分布在城市城区的10kV及以下电压等级的配电网。高压输电网作为配电网的电源点，主要由相互联网的330kV、110kV变电站构成。高压输电网建设的原则是电源点分布合理，能够满足配电网的电力输送容量要求并且适当控制供电半径，同时在布点和容量规划上适度超前，能够保证满足未来一定时期电网发展的要求。配电网主要由10kV架空线路或电缆构成城区供电主网络，通过分段/联络开关保证供电网络的可靠、灵活运行，同时通过配电变压器向用户提供0.4kV等级的电能，0.4

22、kV电力通过低压导线配送到户。以西安城市电网为例，西安城市电网中输电网由分布于城市东、南、西、北郊区的7座330kV和78座110kV变电站构成，并且输电网的规模根据负荷增长速度以每年12座330kV变电站 和68座110kV变电站的规模不断扩充；西安配电网则由389条10kV配电线路(其中包含88条电缆线路)构成，平均每年新增配电线路近60条。高压输电网由于在整个电网中处于重要地位，所以在建设初期其自动化水平就较高，并且与电网建设同步完成了以光环网为基础的通信骨干网建设，基本解决了电网自动化监控系统的通信需求。所以，目前城市电网自动化建设的主要方向在城市配电网自动化改造。2.2 城市配电网自

23、动化改造现状目前城市配电网自动化改造主要包括架空线路自动化改造和电缆线路自动化改造。但是随着城市的发展，架空线路的新增数量逐渐较少，新增10kV线路多以电缆线路为主。城市郊区原有架空线路基本保持已有规模，城市中心区域的原有架空线路也逐步被电缆线路取代。从整体上看，大中城市配电网自动化改造将以电缆线路自动化改造为主，架空线路自动化改造为辅，当然其他小型城市也有以架空线路自动化改造为主的情况，但本文将侧重大中城市配电网自动化改造的论述，小城市配电网自动化改造则不是本文讨论的重点。架空线路的自动化改造包括电力线路的绝缘化改造和柱上开关的自动化改造，其中绝大多数柱上开关将更换为真空智能开关，同时通过装

24、设FTU实现遥测、遥信、遥控功能，FTU需要与控制中心进行通信以完成数据远传和控制命令接收。电缆线路自动化改造则有两种主要实施方案：基于开闭所自动化的改造方案和基于电缆环网柜/高压分支箱自动化的改造方案。基于开闭所自动化的改造方案是一直以来城市配电网自动化改造的主要方案，这种方案采用在负荷中心区域建设开闭所，由开闭所向负荷区域提供多回10kV出线输送电力，可以有效减少变电站的出线间隔，解决变电站出线走廊的限制问题，10千伏开闭所的母线成为变电所母线的延伸。10千伏开闭所从中起到一个中转站作用。10千伏开闭所同时有来自不同变电所或同一变电所不同10千伏母线的两路或多路相互独立的可靠电源，以确保重

25、要用户的可靠供电，同时在条件具备时，10千伏开闭所之间可以通过电源进线实现环网。电网10千伏开闭所的合理设置，可加强对配电网的控制，提高配电网运行的调度灵活性。遇城网设备检修或设备发生故障时，10千伏开闭所操作灵活的优势就能体现出来，最终使停电范围缩小到最小。基于环网柜自动化改造方案则是通过在电缆线路沿途建设环网柜/高压分支箱的方式，实现一条电缆线路向多个负荷区域分散供电以及多条电缆线路的联络，在环网柜内安装智能开关、电缆故障指示仪，同时可以安装DTU完成遥测、遥信、遥控功能，DTU需要与控制中心进行通信以完成数据远传和控制命令接收。可以看出，环网柜自动化改造方案是在借鉴开闭所自动化改造方案供

26、电方式灵活、网络可靠性高优点的同时，避免了开闭所建设占地过多、投资较大的缺点，可以根据负荷分布特点灵活加以规划，更加适应城市中心区域环境的要求，从而有很好的可行性和经济性。在大中城市郊区以及小型城市仍然存在开闭所自动化改造和环网柜自动化改造相结合的实施方案，但同样，这种方案也不作为本文研究的重点。大中城市配电网自动化改造中，不论架空线路自动化改造还是电缆线路自动化改造，为从总体上降低电网线损，在网络结构设计方面均遵循线路供电半径适中的原则，一般线路长度不会超过5公里。线路分段一般不超过4段。同样以西安城市配网网架数据为例，全部389条10kV线路的平均长度为3.25公里，平均每条线路分段数为3

27、.6段，平均每分段的距离为0.902公里。2.3 自动化监控系统的通信需求由城市配电网自动化改造的内容，我们逐一分析自动化监控系统的通信需求。这些需求包括以下几个方面：2.3.1自动化远动信息的通信需求城市配电网自动化监控系统，不论采用架空线路自动化改造实现还实采用电缆线路自动化改造方式实现，在其自动化远动方面的核心功能，无非是三类：对架空线路安装的柱上智能开关或电缆化线路环网柜/高压分支箱中安装的智能开关进行遥测、遥信信息采集和遥控控制，这是第一类；对10kV沿线安装的公用配电变压器或重要用户(含部分高压直供用户)侧安装的电能监测单元进行遥测、积分电量、电能质量等信息的采集，同时预留必要的控

28、制输出功能，这是第二类；对开闭所，以及部分未完全实现自动化改造的10kV线路电源点(10kV以上变电站)实现10kV电压等级的遥测、遥信采集及遥控控制。这三类自动化远动功能的实现首先需要必要的自动化设备，包括具有智能采集接口的一次设备和具有数据采集和数据远传接口的自动化二次设备。通信系统在这部分的功能就是要将 自动化二次设备采集的遥测、遥信信息通过其提供的通信接口最终上传至控制中心，同时能够通过将遥控命令及必要反馈结果在控制中心和自动化二次设备间的双向传送而实现遥控控制功能。目前，电网中投运或计划投运的自动化二次设备均能提供RS232或RS485通信接口，在开闭所或环网柜等设备中也有同时提供以

29、太网网络接口的设备。自动化二次设备提供的通信规约也有主动上报和召唤式的区别。实际工程应用中使用哪种通信接口，主要取决于通信实时性要求和设备当地的通信条件。在满足设备通信实时性要求的情况下，选取满足工程环境要求、工程造价综合评判较优的通信方式。对第一类和第二类通信需求，因为二次设备采集的信息数量比较少，通信数据流量较小，设备的通信规约多见为召唤式规约，但通信设备需要根据二次设备的地理分布而布置，所以数量较多，沿电力线路较为分散，因此采用RS485通信方式较为可行。RS485通信方式可以将线路沿线或相邻线路的二次设备组成总线，首先统一传送至中心站所，最终通过通信网络传送至控制中心。RS485总线式

30、通信采用双向单工通信方式，如果使用屏蔽双绞线作为传输介质，一般在每个总线理论上可以挂接256个通信节点设备，但考虑通信可靠性要求后，一般挂接设备不多于35台。在此情况下，9600bps的通信速率就完全能够满足通信实时性指标要求。速率过高，反而不利于抵抗环境干扰，影响通信系统可靠运行。RS485总线式通信衡量实时性的估算方法为：假定t1为总线通信速率，为9600bps； s1为通信数据报的最大字节数，常见为40字节； t2为通信设备数据传送的传送时间； t3为确保通信设备正常处理通信任务的延时时间，一般为4ms; n为通信总线上的通信设备数量； t4为自动化远动通信的实时性指标时间，一般为5S则

31、，t2=s1*11/t1=45ms t4=(t2+t3)*2*n，根据计算，在给定的参数条件下，n为50，即，总线通信设备数量在不大于50的情况下，即可保证通信的实时性指标。这一估算方法仍然适用于采用无线通信方式通过RS485接口进行通信的通信网络的网络容量计算。第三类通信需求，因为二次设备采集的信息数量比较多，通信数据流量较大，因此采用RS232或以太网网络通信方式可酌情选择。但因为这类二次设备与控制中心为点对点通信，不存在总线延时和轮巡等待时间，因此如采用RS232通信接口，通信速率9600bps即可满足时实性指标；若采用以太网网络通信方式，则网络带宽2Mbps即可满足时实性指标。2.3.

32、2自动化电量集抄信息的通信需求自动化电量集抄信息的通信主要集中在开闭所、变电站或重要的环网柜内。主要实现对智能电能表实现电量数据的采集远传。一般在站内(开闭所、变电站或重要的环网柜内)，为了实现多台电能表的数据采集，所有电能表均通过RS485首先组成就地通信总线，接入电量集抄器，由电量集抄器定时轮巡召唤采集各个电能表的电量数据，统一通过电量集抄器的远传通信接口进行数据远传。因此，在各个站内，电量集抄信息的数据点较多，通信流量也就相应较大。电量集抄器一般能够提供多个或以太网网络接口。因此，为满足自动化电量集抄信息的通信需求，这部分通信需要保证使用RS232通信，如有可能应优先考虑使用太网网络接口

33、进行通信。同样，因为这类二次设备与控制中心为点对点通信，不存在总线延时和轮巡等待时间，因此如采用RS232通信接口，通信速率9600bps即可满足时实性指标；若采用以太网网络通信方式，则网络带宽2Mbps即可满足时实性指标。2.3.3其他自动化管理信息的通信需求这部分通信需求，主要为满足班站合一情况，即运行单位值班场所正好处于电网中心站所内。运行单位值班需要接入电力企业的管理信息系统(MIS系统)中，完成日常的办公自动化、浏览控制系统WEB发布界面等等。这就需要保证站端到企业MIS系统的宽带网络连接。为保证自动化管理信息的访问有效性，通信带宽应保证至少不低于2Mbps。而且，为保证自动化控制系

34、统的信息安全，自动化管理信息和同一站所内的自动化远动、电量信息应该存在安全隔离措施。2.4 城市电网监控系统的通信系统环境分析另外，设计城市电网监控系统的通信系统方案时，还必须要考虑通信系统的应用环境，比如能否获得可靠的系统电源，通信链路的架设走廊是否具备，如果采用无线通信方式，则还需考虑国家无线电管理委员会的频点管理规定。2.4.1通信系统工作电源条件对于通信系统的系统电源问题，从以上的描述中我们可知：城市配电网线路一般采用辐射式供电方式运行，不同的线路可以通过联络开关或开闭所进线进行互连。不论是架空线路还是电缆化线路，抑或开闭所供电方式，在柱上开关、环网柜/高压分支箱内开关、开闭所内的一次

35、设备均能够提供220V交流电源，且与一次设备配合的二次设备基本都能够提供24V的直流电源输出接口。因此，在线路处于投运状态时，通信系统能够获得工作电源。但如果某处的电网因故处于停运状态，则无法保证该处通信系统的工作电源。因此，通信系统的电源需求综合要求如下：(1)主用电源同时具备交流220V和直流24V外部电源的输入接口，交流220V和直流24V外部电源的输入接口需要具有选择性，确保不同电源情况下，系统均能获得可用工作电源。(2)备用电源系统内部需要具备3.6V锂离子电池后备直流电源，保证在无法获得外部电源的情况下，保证系统仍能够正常运行。后备电源的容量，以保证系统在失去外部电源的情况下能够全

36、负载运行12小时为标准。2.4.2通信系统架设走廊条件对于通信系统的链路架设走廊问题，根据前述的电网地理分布特点与城市电力负荷的契合关系，一般来讲，电网的线路常见架设路径与城市的主要街道重合，并且由于北方城市街区规整的市井分布格局，保证了线路各点基本能保证可视(这一点，对于采用无线通信方式尤为重要5)。对于电网架空线路部分，线路沿途的电力杆塔(常见的电力杆塔均能保证5米以上的架设高度)为通信系统的链路提供了良好的架设走廊；对于电网电缆化线路部分，线路沿途的各个环网柜一般建设在城市主要街道的路边，能提供不小于2.5米的架设高度，也可以为通信系统的链路提供了良好的架设走廊；而各个开闭所、变电站，一

37、般能够为通信系统提供架设位置，但个别位于地下或建筑物内部的开闭所、变电站不能为通信系统提供架设位置，但因为数量少，并且可以通过延长通信线路或无线天馈线的方式或得通信系统架设位置，可以不必过多考虑其技术难度。2.4.3通信系统使用无线信道的频率许可关于采用无线通信方式时，国家无线电管理委员会的通信频点规定则已经明确将2.4GHz至2.483GHz的频段作为开放频段，可以供工业、科技、医疗等领域开放使用，只是为保证各个通信设备不造成过多干扰，对使用该频段通信的无线设备规定了信号发射功率不得超过100mw上限。2.4GHz至2.483GHz频率段可以为无线通信设备提供80MHz强的频率范围选择，常见

38、的无线通信制式有：WiFi3,6，采用dsss调制方式，使用22MHz的频率占用宽度，可以保证3个分布式信道不重叠，在此范围内获得至少3个信道可供选择；ZigBee12通信制式，采用dsss调制方式，每信道使用3MHz的频率占用宽度，信道之间预留2MHz的频率隔离宽度，可以保证16个分布式信道不重叠，在此范围内获得至少16个信道可供选择可以灵活选择不同信道；其他的如蓝牙等常见无线通信方式，一般作为很短距离的通信，不会对周围造成过多干扰。各种无线通信的频率使用方式如图2.1所示：图2.1无线通信的频率使用方式由上述可知，各种无线通信方式，特别是WiFi和ZigBee之间的确存在相互干扰79的可能

39、，并且随着无线局域网的兴起，城市中2.4GHz频段的电磁环境越来越复杂，避免或最大程度减少环境干扰成为无线通信必须考虑的问题。但因为WiFi和ZigBee均有空闲信道可供选择，如果能够处理好空闲信道选择的机制4(原理如图2.2所示)，则干扰还是能够避免的。图2.2 ZigBee空闲信道选择的机制2.5 本章小结根据城市电网的自动化通信需求和电网地理分布特点分析，可以得出结论：城市电网监控系统对通信系统的通信流量需求具有一定的区域分布特征，即电力线路沿线的通信设备节点较多，通信流量不大，而电网的中心站所(开闭所、变电站和重要环网柜)则通信流量较大，但多处于电网的区域中心，可以汇接线路沿线的通信设

40、备通信流量。同时，电网可以为通信系统提供必要的通信链路架设走廊和外部电源，结合通信设备内部的后备电源，通信设备可以获得基本的工作条件。其次，采用无线通信方式，虽然存在电磁干扰的潜在威胁，但通过加强通信信道的自适应选择或引入跳频技术，则可以避免复杂电磁环境下的信号干扰。以上分析结论，为城市电网监控系统采用分层规划的无线通信系统提供了支持，证明采用分层规划的无线通信系统基本可行，可以开展后续的方案研究。9 设计的实际应用和优化。节略。10 结论10 结论经过一年多的研究和开发，在导师的指导帮助下，终于完成了开题报告中确定的任务。本课题针ZigBee和WiFi无线通信技术在城市电网监控通信系统的应用

41、开展分析和设计，是对单片机、通信技术、电子技术和自动化等专业知识的综合运用。本课题的设计通过实际工程应用的考验，证明课题设计实际可行，课题设计在经济性方面有突出优势，并且代表了技术的发展趋势，同时也符合课题研究领域内城市电网监控通信系统的客观发展方向，为城市电网监控通信系统的建设提供了新的技术路线和工程应用方案。10.1 本课题所做工作（1） 应用分析本课题通过对城市电网监控通信系统的实际需求和面临的诸多困难进行分析，进行了WiFi和ZigBee无线通信技术的应用分析和系统设计。课题论证了无线通信技术的应用可行性，提出采用WiFi和ZigBee设备分层次混合组网的体系结构。（2） 系统总体方案

42、设计采用WiFi和ZigBee设备分层次混合组网的体系结构，将通信系统可以分为底层、中间层、中心层通信子网络。这种通信结构的实际符合城市电力监控系统的实际情况，并且具有较强的可实施性和经济性。（3） ZigBee无线通信模块开发 ZigBee无线通信模块开发工作完成了模块的硬件的原理图和电路设计，同时完成了完整ZigBee协议栈的分析和精简ZigBee协议栈的软件开发工作，使课题设计具备客观评估测试条件。（4） WiFi设备的合理选型 WiFi设备的合理选型使得通信系统总体的设计能够得以完善，根据选型结果，可以设计完整的系统，为进一步的设计和应用奠定了基础。（5） 网络安全设备选型网络安全设备

43、选型解决了中心层通信系统的安全可靠运行难题，保证通信系统能够符合实际应用行业的相关规程规定，最终得以应用。（6） 工程应用设计结合城市电力监控系统的实际需求，对网络的通信功能性、实时性、可靠性等相关参数进行了一般性的明确，给出了典型参数配置。使得设计具备实际应用条件。（7） 具体工程应用验证和优化本课题最终获得实际工程应用，通过实际工程应用的验证和不断优化，课题设计日臻完善，证明具有较好的应用前景。10.2 下一步要做的工作本课题还需要继续深入开展的工作有以下几方面：(1) 继续跟踪无线通信技术的最新发展重点关注具备高传输带宽、具备多种业务接入能力的相关技术热点30，不断完善课题设计，力争能够

44、为城市电网监控系统提供数据、语音、视频等综合通信接入能力支持。(1) 系统可靠性的继续深入研究ZigBee通信模块各组成部分采用单独设计的方式虽然带来了一定的灵活性，但实际工程应用已经暴露出可靠性方面的隐患；ZigBee通信模块抵抗电磁干扰的能力还需继续提高，可以尝试将跳频技术引入其中；ZigBee通信网络还存在一定程度的可靠性瓶颈协调器，需要探讨消除网络可靠性瓶颈的方法。(2) ZigBee通信网络拓扑继续完善实现对其他网络拓扑和路由算法31的支持。致 谢致 谢衷心感谢导师龚尚福教授。三年来，导师在学业上的精心指导，在生活上的热情关怀都令我难以忘怀。龚教授不仅传授给我理论知识和实践经验，而且

45、他勤奋严谨的治学作风、诲人不倦的教学态度、高度的责任感，使我不仅学到了知识，而且学会了做人。值此论文完成之际，谨向他致以崇高的敬意和诚挚的感谢！感谢在三年的学习生活中，给予我帮助和鼓励的老师和同学们！ 衷心感谢前来指导的所有专家和评委！附 录参考文献1 王锐华,于全.浅析ZigBee技术J. 北京:电视技术, 2003,6(6):33-35.2 ZigBee Alliance. Emerging standards -where does ZigBee fit S. 2000.http:/www.ZigBee.org/en/resources.3 IEEE Std 802.11b.Part 1

46、1:Wireless LAN MAC and PHY specifications S. 2001. http:/www.ieee802.org/11/.4 IEEE Std 802.15.4.Wireless MAC and PHY specifications for low-rate wireless personal area networks S.2003. http:/ieeexplore.ieee.org/iel5/11012/34697.5 Theodore S Rappaport.无线通信原理及应用M.北京:电子工业出版社, 1998.82-91.6 Howitt I.WLA

47、N and WPAN coexistence in UL band J.Transactions on Vehicular Technology, 2001,50(4):1114-1124.7 Kamerman A.Coexistence between bluetooth and IEEE 802.11 solutions to avoid interferenceZ.Lucent Technolo-gies Bell Laboratories, 1999.8 IEEE Std 802.15.2.Coexistence of WPAN with other wireless devices

48、S. 2003.9 Freescale Semiconductor，Inc. Freescale ZigBee technology and productZ. ZIGBEEMCUPS. 10 ZigBee Specification 2006S. Document 053474r13 .ZigBee Alliance, Inc.11 IEEE Std 802.1X-2004,Port Access Control for WLANs. S12 IETF RFC 3748S, Blunk, L., Vollbrecht, J., Aboba, B., Carlson, J., Levkowet

49、z,H., June 200413 Geier, Jim. 802.1X Offers Authentication and Key ManagementZ. Wi-Fi Planet 7 May 2002. 14 Deploying 802.1X for WLANs: EAP TypesZ. Wi-Fi P 10 September 200315 Jon Adams. Designing with 802. 15. 4 and ZigBeeZ. www. ZigBee. org，200416 Patrick Kinney. ZigBee Technology：Wireless Control

50、 that Simply WorksJ. 2003.http:/www. ZigBee.Org.17 Dick Caro. ZigBee short on power by designZ. www. eedesign. com，200418 Patrick Kinney ZigBee Technology：Wireless Control that Simply WorksZ.www. ZigBee. org，200319 陈荣第. 无线Mesh关键技术与实践Z. 20 陈聪,冯玉林,施惠昌. ZigBee 和Wi-Fi 的干扰和共存J.北京:计算机工程与设计,2006,12(4):16-1

51、8.21 ZigBee网络规划和容量计算N. 22 ZigBee无线通信协议的技术支持及其应用前景N. 23 郦亮. IEEE802.15.4 标准及其应用J. 北京:电子设计应用，2003,10(2):102-105.24 王权平，王莉. ZigBee技术及其应用J. 北京:现代电信科技，2004,31(4):28-35.25 韩旭东，张春业，李鹏. 传感器无线互联标准及实现J. 北京:电子技术应用，200426 陈晓琛，申伟，王隽. 低速无线个人区域网的实现J.南京:电信快报，200427 彭立，徐红漫. 发展中的IEEE802.15.4J 北京:现代电信科技，200428 王永铭，邵之江. 工业监控中的无线网络设计与应用J. 北京:工业仪表与自动化装置，200329 彭天笑，缪小红. 基于ZigBee 的WPAN 构建方案J. 北京:电信工程技术与标准化，200330 戴迎瑁，方会平. 无线个人区域网(WPAN)技术综述J. 浙江万里学院学报，200431 陈宏林. 无线新手短兵相接-Bluetooth 的同类新技术ZigBeeJ. 北京:电信工程技术与标准化，200432 蔡型，张思全. 短距离无线通信技术综述J. 北京:现代电子技术，2004