ZigBee模塊在高壓電機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

童 健

（浙江杭鋼動(dòng)力有限公司，浙江杭州 310022）

1 引言

高壓電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，除在電氣上進(jìn)行正確合理的綜合保護(hù)計(jì)算、整定外，對(duì)電機(jī)關(guān)鍵部位的發(fā)熱檢測(cè)也是一種重要的保護(hù)手段。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高壓電機(jī)的測(cè)溫主要還局限在采用熱敏電阻型測(cè)溫法對(duì)定子線圈溫度、軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而在實(shí)際運(yùn)行過程中，高壓電機(jī)引出線接頭處過熱也是一個(gè)常見的故障點(diǎn)，且溫度一旦失控，很容易導(dǎo)致引出線絕緣老化，最終造成相間短路的事故故障。杭鋼動(dòng)力公司氣體廠1.6 萬空分配套的西門子電機(jī)（6 kV、15800 kW）就曾于2011 年1 月發(fā)生過類似的故障。該電機(jī)引出線因?yàn)樵O(shè)計(jì)制造時(shí)截面偏小，長(zhǎng)期發(fā)熱后引起絕緣老化，而引出線處又無溫度檢測(cè)裝置，最終導(dǎo)致相間短路事故。

2 設(shè)計(jì)思想

目前在高壓電機(jī)引出線處的溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用報(bào)道還不多，如采用傳統(tǒng)的熱電阻（或熱電偶）測(cè)溫法，必須安裝溫度傳感器，并敷設(shè)線路，不但改造起來不方便，而且傳感器與高壓電纜接頭間必須有足夠的絕緣，影響測(cè)量準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)高低壓之間還面臨絕緣擊穿的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于引出線處的空間限制，也無法采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行離線的監(jiān)測(cè)控制。因此，設(shè)計(jì)一套測(cè)量準(zhǔn)確、安裝方便的無線測(cè)溫系統(tǒng)用于該處作為溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)于確保高壓電機(jī)安全運(yùn)行有著重要意義。

隨著ZigBee 協(xié)議的問世，ZigBee 模塊得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，目前TI 公司的CC2530、CC2531 芯片已經(jīng)非常成熟，且具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，使用環(huán)境溫度達(dá)-40℃～125℃，完全能滿足測(cè)溫點(diǎn)的使用要求；數(shù)字溫度傳感技術(shù)的發(fā)展，使得溫度的采樣也顯得非常的簡(jiǎn)單和智能，在型號(hào)上也有很大的選擇范圍；另外，與PC 機(jī)通訊的RS232、USB 接口等技術(shù)的豐富成熟，使得設(shè)計(jì)開發(fā)一套無線的測(cè)溫系統(tǒng)成為可能。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出的設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控主節(jié)點(diǎn)及其若干無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)組成。

監(jiān)控主節(jié)點(diǎn)：無線收發(fā)模塊CC2531 通過FT232R 轉(zhuǎn)換電路，和PC 機(jī)進(jìn)行串口通信。它能夠接收遠(yuǎn)程各監(jiān)控點(diǎn)的傳感器子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息，監(jiān)控其運(yùn)行狀況，并在上位機(jī)進(jìn)行顯示。

無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)：主要由溫濕度傳感器SHT75、無線收發(fā)模塊CC2530 組成，能夠采集并發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控主站。傳感器采用3.7V/3800mAh 的磷酸鐵鋰電池供電，各傳感器節(jié)點(diǎn)以不同的地址跳線來區(qū)分。

4 ZigBee 無線模塊的設(shè)計(jì)

ZigBee 無線模塊分為主站模塊和子站模塊。子站模塊即為集成了溫濕度傳感器的ZigBee 模塊，一個(gè)子站模塊可以根據(jù)需要連接多個(gè)溫濕度探頭。與PC 機(jī)相連的模塊稱為主站模塊，主要任務(wù)有兩個(gè)：負(fù)責(zé)組織無線網(wǎng)絡(luò)，即自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)中的子站節(jié)點(diǎn)，并給子站分配網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)；從子站節(jié)點(diǎn)取得PC 主站需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與PC 機(jī)之間的通信。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)要求，選用TI 公司的CC2530 芯片組成子站模塊，選用CC2531 芯片組成主站模塊。

（1）主站模塊

主節(jié)點(diǎn)是各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的匯聚者，也是與上位機(jī)進(jìn)行信息交流的紐帶，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，為全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD），負(fù)責(zé)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組建維護(hù)、傳感器數(shù)據(jù)的匯集及與上位機(jī)的串口通信。主節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包括供電電路、晶振時(shí)鐘電路、無線射頻輸入/輸出匹配電路和串口通信電路。

（A）供電電路見圖2

圖2 供電電路圖

主節(jié)點(diǎn)的供電電路與串口通信電路進(jìn)行了集成，USB 接口既是數(shù)據(jù)通信接口，也起著為主節(jié)點(diǎn)供電的作用。USB 接口電源為5 V，而微處理器CC2531 需要3.3 V 的電源為其供電，因而我們采用了5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 的線性穩(wěn)壓?jiǎn)卧狝S-1117，該穩(wěn)壓?jiǎn)卧峁?.3 V 穩(wěn)定的電壓輸出，給CC2531 芯片供電。此穩(wěn)壓芯片是一個(gè)高線率的線性電壓轉(zhuǎn)換元件，其輸出電流可達(dá)到1 A，并且外圍電路簡(jiǎn)單，只需在輸入端和輸出端接入合適的電容即可。

B 晶振時(shí)鐘及射頻輸入/輸出匹配電路見圖3

在解決了供電問題后，微處理器CC2531 的主要外圍電路為晶振時(shí)鐘電路及無線射頻輸入/輸出匹配電路。CC2531 的晶振有兩個(gè)：一個(gè)為32M 晶振，主要用于處理器正常運(yùn)行過程及無線收發(fā)過程，設(shè)計(jì)中采用的是貼片的無源晶振，提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源；另一個(gè)為32.768K 晶振，主要用于休眠模式下為內(nèi)部睡眠定時(shí)器提供時(shí)鐘源。

對(duì)于CC2531 的無線射頻輸入/輸出匹配電路，最重要的是進(jìn)行阻抗的匹配。在理想狀態(tài)下，如果系統(tǒng)中信源沒有內(nèi)阻，所有的功率都將消耗在負(fù)載上，系統(tǒng)的發(fā)射功率始終是最大的。但是在實(shí)際過程中，系統(tǒng)中是不可能不存在內(nèi)阻抗的，所以為了使得負(fù)載的功率最大，需要進(jìn)行阻抗的匹配。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。本文中，結(jié)合CC2531 廠商TI 公司的推薦電路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)整，最終的無線射頻輸入/輸出匹配電路如圖3 所示。

C 串口通信電路

主節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要功能是對(duì)所有傳感器節(jié)點(diǎn)上發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，并且與上位機(jī)進(jìn)行通信，將接收到的傳感器數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)中與上位機(jī)的信息交換我們采用的是串口通信。微處理器CC2531 的UART 串口為TTL 電平，因而與PC 機(jī)相連時(shí)，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來轉(zhuǎn)換電平，否則過高的電壓會(huì)把微處理器芯片燒壞。如圖4 所示，在設(shè)計(jì)中采用的是FT232R 芯片，通過USB 接口與PC 進(jìn)行串口通信。

（2）子站模塊

圖3 晶振時(shí)鐘及射頻輸入/輸出匹配電路

圖4 串口通信電路

無線溫度傳感器子節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)的基本單元，主要負(fù)責(zé)溫度的采集和預(yù)處理，并將之傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)，可作為簡(jiǎn)化功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD），以降低功耗和成本。無線收發(fā)模塊采用CC2530，其外圍電路與主節(jié)點(diǎn)中CC2531 的外圍電路大致相同，主要包括供電電路、晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路等部分，但不具有串口通信電路。SHT75 溫濕度傳感器的串行接口與微處理器（CC2530）的輸入輸出口（I/O）直接相連，這樣可以減少硬件成本，同時(shí)也減小了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的體積。溫濕度傳感器SHT75 的串行接口與微處理器之間通過I2C 總線協(xié)議進(jìn)行通信，但傳感器不能按照I2C 協(xié)議進(jìn)行編址。

5 上位機(jī)監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)監(jiān)控軟件使用C-sharp 語言開發(fā)完成?？紤]到監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)量比較小，不需要使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，而是按照日期自動(dòng)生成二進(jìn)制文件作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件，用于歷史趨勢(shì)圖的調(diào)用。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)采集和被動(dòng)采集：上位機(jī)可以根據(jù)需要發(fā)送查詢指令，主動(dòng)采集ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的溫度濕度信號(hào)；也可實(shí)時(shí)的接收ZigBee 節(jié)點(diǎn)定期上報(bào)的數(shù)據(jù)。

溫濕度的轉(zhuǎn)換

公式T=-39.7+0.01×SOT(℃)

另，濕度的公式RHlinear=C1+C2×SOT+C3×（SORH）2，其中SORH表示采集的濕度原始數(shù)據(jù)，C1、C2、C3為常數(shù)。當(dāng)實(shí)際測(cè)量溫度與25 ℃相差較大時(shí)，還需進(jìn)行溫度修正。這里就不介紹了。

⑵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)保存歷史數(shù)據(jù)的功能：上位機(jī)接收到ZigBee 采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，保存到計(jì)算機(jī)硬盤中，用戶就可以查看歷史數(shù)據(jù)。

⑶數(shù)據(jù)分析

上位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為趨勢(shì)圖，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)的分析。

⑷超限報(bào)警

當(dāng)采集到數(shù)據(jù)之后，上位機(jī)會(huì)判斷數(shù)據(jù)是否超限，如果數(shù)據(jù)超限，上位機(jī)開啟報(bào)警聲，提示用戶存在報(bào)警，直到用戶確認(rèn)該報(bào)警，報(bào)警鈴才會(huì)關(guān)閉。

以下是2012 年8 月份檢測(cè)6 kV、15800 kW電機(jī)三相引出線處所得到的部分溫度數(shù)值，供參考，見表1。

表1 2012 年8 月測(cè)得的部分溫度值

6 從機(jī)模塊低功耗的實(shí)現(xiàn)

由于傳感器子節(jié)點(diǎn)采用的是電池供電，為了減小傳感器模塊的功耗，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣、發(fā)送環(huán)節(jié)做了充分的考慮，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一是鑒于溫度的變化是個(gè)緩慢的過程，可以適當(dāng)降低采樣頻率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置為1 分鐘采樣1 次，兩次采樣間隙，進(jìn)入低功耗模式，即休眠模式；二是設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送條件，只有滿足條件時(shí)才向外發(fā)送。

微處理器CC2530 具有一個(gè)24 位的定時(shí)器，運(yùn)行在32 kHz 的時(shí)鐘頻率下。微處理器休眠狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)是通過配置睡眠定時(shí)器，設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入和退出低功耗模式之間的周期。

本設(shè)計(jì)中，休眠模式的具體實(shí)現(xiàn)方式是在進(jìn)入休眠模式之間加入一個(gè)休眠標(biāo)志位，判斷是否允許傳感器子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，防止系統(tǒng)的頻繁休眠和喚醒，同時(shí)也可避免在溫度采集期間由于頻繁的休眠和喚醒而影響傳感器的工作。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，為了及時(shí)掌握監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)際溫度，程序中對(duì)數(shù)據(jù)上傳到主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔進(jìn)行了限制，以防止溫度變化緩慢時(shí)，發(fā)生數(shù)據(jù)不上傳的現(xiàn)象。具體做法是，定義一個(gè)變量記錄休眠次數(shù)，在每次進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)對(duì)次變量進(jìn)行累加，當(dāng)休眠達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，也將進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，并將休眠次數(shù)清零。同時(shí)，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器子節(jié)點(diǎn)也會(huì)及時(shí)把溫度數(shù)據(jù)向主節(jié)點(diǎn)上傳。

7 結(jié)束語

本文就如何設(shè)計(jì)、組建一套無線測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。在實(shí)際應(yīng)用中，必須對(duì)測(cè)溫探頭子站的外殼材料、安裝固定方式等細(xì)節(jié)作充分考慮，以確保能經(jīng)得起高壓電機(jī)強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的考驗(yàn)。另外，可對(duì)PC 機(jī)獲取的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的應(yīng)用處理，如設(shè)置完善的報(bào)警、歷史趨勢(shì)查詢以及開發(fā)OPC 通訊接口等功能。