摘要：本实用新型是结合TX_ZigBee无线技术和射频读卡技术的特点，以nxp公司lpc1768为CPU设计的实时无线电脑钥匙。实现了电脑钥匙与防误主机之间的实时无线通讯，实现了电脑钥匙与编码锁之间快速读取锁号、设置锁号的双向通讯。本装置采用一体化结构设计，外形美观，结构设计合理。
关键词：实时无线电脑钥匙，ZigBee，RFID。
1引言
随着变电站防误水平的日益提高，防误操作覆盖面的日益扩大，发生在变电站内的恶性事故逐年减少。但由于目前电脑钥匙的局限性，工作人员在操作上存在很大的安全隐患，为进一步加强电力系统的运行管理，防止发生人身和设备事故，我公司在总结了原有电脑钥匙的基础上，开发了新型的实时无线电脑钥匙。
实时无线电脑钥匙将Zigbee无线通讯技术、IC卡射频技术、操作逻辑分析、防误闭锁技术等结合在一起，为运行人员提供了一个集调度防误、运行防误及强制五防闭锁于一体的防误系统。实时无线电脑钥匙的应用，能够实现实时掌控现场设备的操作情况，可以最大限度减少误操作事故的发生。为电力系统的安全运行打下良好基础。
本项目主要是将Zigbee无线通讯技术及IC卡射频技术纳入到电脑钥匙中来，使电脑钥匙得到更大的提升，并在电力系统中得到广泛应用。实时无线电脑钥匙的投入对树立公司企业安全形加快企业发展意义重大。
目前国内、外对于防误设备的研究比较落后，除了简单的机械五防，基本没有其他防误措施，尤其是目前电脑钥匙的研究，很大程度上制约了防误系统的发展，目前的电脑钥匙不能够实时回传操作情况，这就致使防误系统不能够实时掌握现场的操作情况，不能够从根本上避免误操作，尤其是走空程误操作，工作人员在操作上存在很大的安全隐患。主要表现在如下几方面：
（1）不具有实时校验功能，具有不可靠性；
（2）调度或操作班难以知晓现场设备的实际状态；
（3）存在失控及擅自扩大操作范围等风险。
（4）易发生误入错误间隔，造成因错解锁设备引起的误操作。
（5）整个操作过程没有控制，易发生走空程等误操作。
为进一步加强电力系统的运行管理，防止发生人身和设备事故，我公司在总结了原来电脑钥匙弊端的基础上，结合目前先进的Zigbee无线通讯技术，研发出新型实时无线电脑钥匙。新型的实时无线电脑钥匙具有如下主要特点：
（1）通过Zigbee无线通讯技术构建一个覆盖整个变电站设备的无线网络平台。
（2）以面向设备的多元防误闭锁技术，通过技术手段将流程固化并串联执行，任何一步的不完成将导致不可进入下个环节运行和操作，提供多种防误逻辑判断。
（3）结合Zigbee无线通讯技术，进行操作结果的回传和校核，并实现状态的实时对位，保证操作过程的完全受控。
2系统组成及技术特点概述
实时无线电脑钥匙可通过远方Zigbee无线通讯或就地红外通讯接收预演成功的操作票，操作票接收成功后，工作人员可手持该实时无线电脑钥匙到现场按照提示进行解锁操作。现场设备被操作后，实时无线电脑钥匙将该步操作信息通过Zigbee无线网络自动回传给防误闭锁软件，防误闭锁软件校验成功后，将对电脑钥匙下达进行下一项操作的命令，实时无线电脑钥匙方可进行下一项操作，否则不允许下一项操作。这样就有效的避免了走空程等误操作的发生，为电力系统的安全运行提供了有效的保证。
实时无线电脑钥匙具有快速上报设备信息、操作情况、历史记录等功能。便于操作人员及时掌握下面人员操作情况。本系统具备良好的低干扰，高抗干扰的特性，非常适合电磁情况比较复杂的开闭所现场，同时采用红外通讯、Zigbee无线通讯两种通讯方式，通讯可靠、使用简单、维护方便、使用寿命长也是该系统突出的优点。
2.1 系统组成
实时无线电脑钥匙CPU主电路
本实用新型CPU主电路是基于ARM Cortex-M3 处理器设计，响应速度快，防止死机发生。而且控制简单，性能可靠，人机界面友好，操作方便。
实时无线电脑钥匙TX_ZigBee无线模块
构造电脑钥匙与防误主机之间的实时通道，实现电脑钥匙与防务主机可以实时无线通讯。电脑钥匙解锁后，不显示下一项操作内容，直到操作该一次设备并且状态校验正确，才允许执行下一项操作，有效防止”走空程”的发生。
系统通过与电脑钥匙实时通讯来达到实时监测锁具，实现一次设备状态的实时采集。本实用新型解决了电脑钥匙与防误主机操作信息交互脱节、操作实时性无法保证，操作人员因为现场距离远而造成的人员奔波与回传信息滞后等问题，实现设备状态实时采集、防误逻辑实时判断、操作全过程实时监控，保障了倒闸操作的安全和可靠。
实时无线电脑钥匙射频读卡模块
实现电脑钥匙与编码锁之间可以快速读取锁号、设置锁号的双向通讯，提高了效率、降低了成本。
实时无线电脑钥匙自动关机模块
如果实时无线电脑钥匙持续10分钟处于空闲状态，将自动关闭电源，再次使用时重新开机即可。此功能可延长电池使用时间。
实时无线电脑钥匙低功耗模块
通过IRF7304芯片把各个模块的供电电路管理起来，实现了对各个模块的分别控制，大大降低的本实用新型的使用功耗，延长了电池的使用时间。
2.2 系统技术特点
实时无线电脑钥匙所具有的独有特点极大地满足了现代化变电站对于电脑钥匙的需求，技术特点如下：
⑴ RFID技术特点：
①可快速扫描编码；
②体积小型化、形状多样化；
③抗污染能力和耐久性；
④可重复使用；
⑤穿透性好可以穿透非金属和非透明的材质；
⑥存储量大；
⑦安全可靠使其内容不易被伪造；
⑵ ZigBee无线通讯技术特点：
①含有基带modem的射频收发器，具有优异射频性能；
②遵从TX_ZigBee规范和IEEE 802.15.4标准；
③超出3000英尺的传送范围；
④具有星、树和mesh网络结构的能力；
⑤TX_ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力，当网络中有节点出现通讯故障时，网络可自行排除该节点，通过其他节点重新建立网络连接，从而增加了网络通讯的可靠性；
⑥每个TX_ZigBee网络最多可支持256个设备，也就是说，每个TX_ZigBee设备可以与另外255台设备相连接；
⑶ 低功耗模块技术特点：
对各个模块的电源进行分别控制，大大降低了电脑钥匙的使用功耗，延长了电池的使用时间。
⑷ OLED彩色显示屏技术特点：
本显示屏在低温环境及室外强光下显示依然清晰，解决了以往液晶存在的两大弊端。
3系统原理
3.1 系统说明
如图3.1所示，系统在原离线式微机防误闭锁系统基础上，通过增加TX_ZIGBEE无线路由器和无线电脑钥匙，搭建了一个性能可靠的实时在线网络防误系统，实现整个变电站内的五防主站、无线路由器、无线电脑钥匙的实时通讯。防误主机正常模拟预演，通过路由器传输操作项，而实时无线电脑钥匙通过TX_ZIGBEE模块接受到操作项。电脑钥匙的射频读卡模块读取到相应的电编码后打开锁具，操作一次设备，一次设备正确变位后电脑钥匙再通过TX_ZIGBEE模块和路由器回传给防误主机。
图3.1防务闭锁系统流程图
3.2 ZigBee无线通讯技术
无线通信问题是实时无线电脑钥匙系统遇到的技术难题，如果采用GPRS或3G无线网络，信号质量虽然很好，但需要二次收费；如果采用WIFI进行无线通讯，信号的覆盖面积小，通讯距离短无法满足要求；如果采用有线通讯则由于现场复杂，无法满足布线的要求。鉴于此，本系统采用ZigBee无线通信。ZigBee作为无线传感器网络支撑技术，由大量分布广泛的微小传感器通过无线电连接形成一个组网，这些传感器以微小的能量通过接力的方式将数据从一个节点传到下一个节点，具有很高的通信效率。ZigBee依据IEEE802.15.4标准，工作在公共的2.4GHz ISM频率上。
ZigBee网络的工作模式分为信标（Beaeon）模式和非信标（Non- Beaeon）两种模式。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的节省功耗。在此模式下，ZC负责以一定的时间间隔（一般在15ms~4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送；而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态。在此模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现了ZE的周期性休眠。网络中所有的父节点需要为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的唤醒与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。
ZigBee网络具有自组织性，每个ZigBee网络节点只要在彼此间的通信范围内，就会自动搜索并形成一个互联的ZigBee网络，网络模块终端的相对位置发生变化时，模块会自动重新搜索通信对象，确定彼此间的联络。ZigBee网络还具有无线网路自愈能力，当网络中有节点出现通讯故障时，网络可自行排除该节点，通过其它节点重新建立网络连接，从而增加了网络通讯的可靠性；它的传送距离可达到1000米，在接收或发送数据时其功耗只有120mW，并且在睡眠状态下功耗仅为30uW，另外ZigBee无线网络的每个节点都可以充当路由，并且最多可达20级。
ZigBee技术在无线电脑钥匙领域的应用中既解决了光纤通信投资大、敷设困难等问题又克服了其他无线通信距离短、可靠性差和通信资费等弊端。
3.3 RFID射频识别技术
本使用新型采用了射频读卡技术（RFID），该技术使电脑钥匙与编码锁之间可以快速读取锁号、设置锁号的双向通讯，提高了效率、降低了成本。射频读卡模块可快速扫描编码，体积小，抗污染寿命长，可重复使用，穿透性好可以穿透非金属和非透明的材质，存储量大，安全可靠使其内容不易被伪造。
RFID无线射频技术是自动识别技术的一种高级形式。RFID系统一般由两部分组成：阅读器和应答器。应答器也称发射器或标签，是射频识别系统的数据载体，它通常放在需要识别的物件上，可以发送和接收信息，并进行读／写操作。应答器分为两大类，即有源应答器和无源应答器。所谓有源应答器顾名思义就是自己提供能量来进行信息的收发，又称为主动式标签。而通常意义上所讲的应答器是指无源应答器，又称为被动式标签，它由耦合组件和芯片组成，工作所需要的能量通过耦合单元传输接收，因此只有在阅读器的响应范围内，它才处于激活状态。鉴于节电方面的考虑，在这里采用无源方式。根据实际情况的需求，该RFID系统采用125kHz的振荡频率，并且具有低功耗、高效防碰撞等特征，并将复杂的系统分解成既独立又相互联系的功能模块，包括：基于SOC的硬件控制电路、微控制器与射频模块的通信。通过电路设计和选择工作模式有效地降低了系统的功耗。
3.4自动关机技术
如图3.4所示，本实用新型实时无线电脑钥匙CPU外设有多个功能模块组成，在使用过程中我们通过IRF7304芯片把各个模块的供电电路管理起来，实现了对各个模块的分别控制，大大降低的本实用新型的使用功耗。实用新型实时无线电脑钥匙如果持续10分钟处于空闲状态，将自动关闭电源。延长了电池的使用时间。在图2 中可以看到当实时无线电脑钥匙持续10分钟处于空闲状态时，CPU的PD引脚开出低电平，使V4截止，V2饱和导通，V3基极为高电平，使其饱和导通，导致其集电极为低电平，因此V1基极为低电平，使其截止，当抬起按键后，G1恢复高电平，使场效应管IRF7304截止，CPU断电，达到节能目的。
图3.4实时无线电脑钥匙的自动关机原理图
4功能及特点
功能：
1 实现电脑钥匙与防误主机可以实时无线通讯
2 实现电脑钥匙与编码锁之间可以快速读取锁号、设置锁号的双向通讯。
3 实时无线电脑钥匙自动关机。
4 通过IRF7304芯片把各个模块的供电电路管理起来，实现了对各个模块的分别控制，大大降低的本实用新型的使用功耗，延长了电池的使用时间。
5 系统通过与电脑钥匙实时通讯来达到实时监测锁具，实现一次设备状态的实时采集。
6 本实用新型CPU主电路是基于ARM Cortex-M3 处理器设计，响应速度快，防止死机发生。而且控制简单，性能可靠，人机界面友好，操作方便。
特点：
1 通过Zigbee无线通讯技术构建一个覆盖整个变电站设备的无线网络平台。
2以面向设备的多元防误闭锁技术，通过技术手段将流程固化并串联执行，任何一步的不完成将导致不可进入下个环节运行和操作，提供多种防误逻辑判断。
3 结合Zigbee无线通讯技术，进行操作结果的回传和校核，并实现状态的实时对位，保证操作过程的完全受控。
5技术指标
使用环境：
1、使用温度：-40℃～+70℃
运行参数：
1、工作电压：+5V±5%DC
2、解锁电压：+13V
3、电源：3.7V，1400mAh锂离子电池
4、静态电流：≤20mA
5、最大工作电流：≤300mA
6、最大锁容量：无限个
7、一次接收票项：≤1024项
8、抗电磁干扰强度：≤70db（uV）
9、抗视频干扰强度：≤50db（uV/m）
10、抗电强度：≥1500V
11、抗冲击强度：60g
12、允许断路器操作回路最大电流：5A
13、允许断路器操作回路最大电压：0～380 AC/DC
6总结
通过实际考察和实验发现采用ZigBee无线通讯稳定、可靠；RFID射频系统识取ID扣精准、无误码；能够实现实时准确的无线回传操作情况，与防误系统进行校验，由此证明这些技术还可以广泛地应用到其他领域之中。
实时无线电脑钥匙具有快速上报设备信息、操作情况、历史记录等功能。便于操作人员及时掌握下面人员操作情况，有效避免了走空程等误操作的发生，为电力系统的安全运行提供了有效的保证。它将电脑钥匙的智能化水平提升到一个新的高度，使电脑钥匙进入到真正的智能化模式，带来巨大的经济运行效益。
在本系统研究成果的基础上，今后着力打造更加具有合理化、人性化和智能化实时性的防误闭锁系统，使五防系统得到更大的提升，并在电力系统中得到广泛应用。
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作者简介：
邹德远（1991-），男，汉族，内蒙古赤峰，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，现从事变电运维专业工作。
孟繁兴（1992-），男，汉族，黑龙江双鸭山，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，现从事变电运维专业工作。
张鑫鑫（1994-），女，汉族，黑龙江大庆，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，现从事变电运维专业工作。
论文作者:邹德远,孟繁兴,张鑫鑫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：钥匙论文; 实时论文; 操作论文; 电脑论文; 技术论文; 节点论文; 射频论文; 《电力设备》2018年第34期论文;