基于ZigBee的無線測溫管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究

熊軍華，王亭嶺，劉湘蒞

（①華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011；②河南省電力勘測設(shè)計院，河南 鄭州 450007）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，高電壓、大電流供電設(shè)備隨處可見，這些設(shè)備在母線承載電流過大或開關(guān)接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導(dǎo)致?lián)舸?，造成惡性事故。在變電設(shè)備的實際運(yùn)行中，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行方式的改變、負(fù)荷變化較大、高溫天氣時，相關(guān)電氣設(shè)備大電流的回路連接點(diǎn)、閘刀觸頭比較容易產(chǎn)生發(fā)熱等異常情況。因此實時測量高壓母線接頭和高壓開關(guān)觸點(diǎn)溫度，可以及時采取有效措施，避免惡性事故的發(fā)生。

本設(shè)計方案提出了在無現(xiàn)場供電和不使用電池的情況下，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在高壓、高溫環(huán)境下為發(fā)熱檢測和控制電路提供電能，利用先進(jìn)的 ZigBee無線通信技術(shù)實時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，理想地實現(xiàn)了高壓測溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測設(shè)備的電隔離，保證系統(tǒng)的安全可靠。通過Visual Basic 6.0設(shè)計的監(jiān)控界面，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度信息的實時采集、及時報警和有效管理，做到設(shè)備發(fā)熱實時監(jiān)控及遠(yuǎn)距離遙測。

1 測溫節(jié)點(diǎn)供電原理

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的測溫節(jié)點(diǎn)由三部分組成：直流電產(chǎn)生?？?、升壓/穩(wěn)壓電路和 ZigBee節(jié)點(diǎn)測溫電路，如下頁圖 1所示。直流電產(chǎn)生模塊主要利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生直流電能。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發(fā)電模塊兩端就產(chǎn)生電壓差。如果給一片40×40 mm2、126對PN結(jié)的發(fā)電模塊提供25 k℃的溫差 ，就能產(chǎn)生約1 V的開路電壓啟動升壓式DC/DC變換器為測溫電路供電。由于溫度差很難固定，半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生的壓差不穩(wěn)定，不滿足無線單片機(jī)測溫電路的要求。為此，首先須對電壓進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓處理，然后用穩(wěn)定的電壓給 ZigBee節(jié)點(diǎn)測溫電路提供電能。

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產(chǎn)生電能，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度是至關(guān)重要的[1]。在設(shè)計中，由電氣設(shè)備的接線排直接作為熱面的加熱源，冷面加裝散熱片和一個風(fēng)扇，驅(qū)動風(fēng)扇的電能也是由半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生。其發(fā)電裝置如圖 2所示。電氣設(shè)備的接線排在出現(xiàn)發(fā)熱故障時，溫度可上升到333～393 k℃。

圖1 測溫節(jié)點(diǎn)原理

圖2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置

半導(dǎo)體溫差發(fā)電存在的突出問題是輸出電壓不穩(wěn)定，當(dāng)溫差較小時輸出電壓也很小。當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于25 k℃時，開路輸出電壓小于1 V，要保證后續(xù)單片機(jī)電路正常工作，供電電壓必須大于 2 V，往往采用升壓式充電泵或升壓式 DC／DC轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC／DC轉(zhuǎn)換器的最低輸入電壓為1.0 V左右(啟動電壓為0.6～0.7 V)。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統(tǒng)的充電泵或DC／DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路(如振蕩器、誤差放大器、邏輯控制電路、電子開關(guān)等)不能正常工作，無法實現(xiàn)升壓的目的。本設(shè)計方案采用 TI公司新近推出的一款超低輸入電壓升壓式 DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61200。該芯片的主要特點(diǎn)是輸入電壓在0.5 V時，在滿負(fù)載時也能啟動工作，輸入工作電壓范圍寬，從0.3～5.5 V，輸入低電壓鎖存的電壓可設(shè)定。很好的解決了無線單片機(jī)的供電問題。

2 測溫節(jié)點(diǎn)電路分析

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)是中短距離、低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有射頻傳輸成本低，功耗低，快速組網(wǎng)自動配置，自動恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[2]。本設(shè)計采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）和多個RFD節(jié)點(diǎn)組成。無線測溫管理系統(tǒng)由測溫傳感器節(jié)點(diǎn)（RFD）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及監(jiān)控中心組成，如圖3所示。

測溫傳感器節(jié)點(diǎn)（RFD）用于采集溫度信息并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于建立一個新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接收信息，發(fā)送控制命令；監(jiān)控中心（上位機(jī)）通過RS-232串口實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信。

圖1中，無線單片機(jī)采用TI公司的CC2431。CC2431片上系統(tǒng)（SoC）由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線電定位引擎組成。采用該引擎，可實現(xiàn)0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[3]。CC2431芯片采用0.18 μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2431一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2431特別適合那些要求低功耗的應(yīng)用。

溫度傳感器為TC77，它是SPI串行接口的數(shù)字硅溫度傳感器，特別適合于低功耗、低成本、低尺寸應(yīng)用。溫度數(shù)據(jù)由內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換得到，隨時都可以轉(zhuǎn)換成 13位的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)字。與CPU之間的通信通過SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一個±12位的ADC，溫度分辨率為0.062 ℃，TC77可以精確到±1 ℃，工作電流僅250 μA。

圖3 無線測溫管理系統(tǒng)的構(gòu)成

3 測溫節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

軟件部分需要解決的問題包括：溫度信息的采集；溫度信息的發(fā)送；RFD與協(xié)調(diào)器的無線通信；協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的有線通信等。由于溫差發(fā)電模塊供電的持續(xù)性受環(huán)境溫度的影響很大，對溫度的采集頻率應(yīng)隨著溫差的降低而變慢。溫度采集的間隙應(yīng)使TC77處于關(guān)斷模式，在關(guān)斷模式期間，TC77的電流消耗低于1 μA。RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送完溫度信息后應(yīng)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而最大限度的降低功耗。針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和RFD節(jié)點(diǎn)，程序所用的協(xié)議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節(jié)點(diǎn)的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節(jié)點(diǎn)中。

當(dāng)一個RFD節(jié)點(diǎn)初始化完成之后，如果此時在其高頻覆蓋范圍內(nèi)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于正常工作狀態(tài)，而RFD節(jié)點(diǎn)又與該網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同頻時，可以調(diào)用aplJoinNetwork（）函數(shù)加入當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。首先RFD節(jié)點(diǎn)上電后掃描網(wǎng)絡(luò)中是否有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。如果此時網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器存在，就會自動應(yīng)答RFD節(jié)點(diǎn)，當(dāng)RFD節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的3次應(yīng)答信號后，RFD節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的64位物理地址。之后網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的64位物理地址后，根據(jù)加入的先后給RFD節(jié)點(diǎn)分配16位的短網(wǎng)絡(luò)地址。此時RFD節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功[4]。

CC2431中含有兩個串行通信接口USART0和USART1。利用USART0進(jìn)行通信時需要對其串行通信的模式、傳輸?shù)牟ㄌ芈始跋嚓P(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行定義。需要初始化的寄存器有：U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制與狀態(tài)寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。與通信相關(guān)的子程序如下：

4 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控界面使用VB6.0可視化程序設(shè)計語言開發(fā)。利用VB6.0提供的MSComm串行通信控件，可以方便的實現(xiàn)計算機(jī)與CC2431之間的串行通信。監(jiān)控中心通過RS-232實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）的串行通信。從而實現(xiàn)監(jiān)控中心實時監(jiān)測FFD和RFD的工作狀態(tài)，并可以對FFD和RFD實施控制。監(jiān)控中心與FFD設(shè)定的通信協(xié)議為：波特率為57 600 b/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。為了使用MSComm控件，需要在“部件”對話框的“控件”選項卡中選中“Microsoft Comm Control 6.0”選項，單擊“確定”按鈕后控件將被添加到Visual Basic的工具箱中[5]。

Visual Basic6.0是面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計語言，采用事件驅(qū)動的編程機(jī)制，對各個對象需要響應(yīng)的事件分別編寫程序代碼，對每個事件過程的程序代碼來說，一般比較短小簡單，調(diào)試維護(hù)也比較容易。本控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序需要響應(yīng)的事件有：退出監(jiān)控界面事件、控制設(shè)定事件、裝載事件（初始化通信口）、定時器事件、信息接收事件等。與通信相關(guān)的程序代碼及注釋如下：

5 結(jié)語

隨著發(fā)電廠和變電站自動化程度的不斷提高，電氣設(shè)備的熱缺陷監(jiān)控對安全生產(chǎn)顯得尤為重要。本文所設(shè)計的溫度檢測裝置，外圍元件少，調(diào)試簡單，工作可靠。采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊提供電能，解決了變電站測溫現(xiàn)場供電不便的難題，同時也避免了電池供電需頻繁更換的繁瑣。良好的監(jiān)控管理軟件，易于上手，操作簡便。

基于ZigBee的無線測溫管理系統(tǒng)通過在鄭州某110 kV變電站進(jìn)行的測試，獲得了良好的效果。測試用的硬件設(shè)備由6個RFD節(jié)點(diǎn)、1個FFD節(jié)點(diǎn)及一臺筆記本電腦組成。

測試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：RFD與FFD的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)180 m（加長天線），F(xiàn)FD與PC通信距離可達(dá)10 m（制作的RS-232數(shù)據(jù)線為 10 m），無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的時間小于1 s，RFD加入網(wǎng)絡(luò)的時間小于0.5 s，PC機(jī)上的監(jiān)控信息刷新時間小于 1 s，達(dá)到實時監(jiān)控的要求。變電站的電磁干擾對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)無影響。測試的結(jié)果表明，本文所設(shè)計開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是成功的，具有很好的應(yīng)用價值。

[1] 林玉蘭,呂迎陽.基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術(shù),2006(01):39-40.

[2] 王艷秋,曾維魯,岳宇君.ZigBee技術(shù)在倉儲管理中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2008,41(11):205-207.

[3] 張智勇，郭鐵梁，李志軍.基于CC2431的井下人員跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù),2009,42(09):111-113.

[4] 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:165-166.

[5] 求是科技.Visual Basic6.0程序設(shè)計與開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:人民郵電出版社,2004:154-207.