基于ZigBee的高壓帶電體溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

王云飛

摘要：針對高壓帶電體運轉(zhuǎn)時經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高等問題，文章提出了基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要介紹了溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理。多次測試結(jié)果表明，溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)丟包率和誤包率小，穩(wěn)定性和安全性好，測試結(jié)果準(zhǔn)確度高，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：高壓帶電體；ZigBee技術(shù)；傳感器；監(jiān)測

1引言

電力系統(tǒng)高壓電纜接頭由于接觸不良等原因，在滿負(fù)荷負(fù)載電流通過時會造成溫升過高、局部過熱情況。據(jù)報道，國內(nèi)外都發(fā)生過多起因為高壓電纜接頭接觸不良而導(dǎo)致的短路、停電等事故，給公司帶來了巨大損失和嚴(yán)重影響了人民的正常生活。

針對高壓電纜接頭接觸不良而導(dǎo)致的短路、停電等問題，本文提出了基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要介紹了溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理，以保證電力系統(tǒng)可靠與安全運行。

2ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一種短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它可工作在2.46Hz（全球）頻段上，具有最高250kbit/s的傳輸速率；也可工作在915MHz（美國）頻段上，達到最高40kbit/s的傳輸速率；還可以工作在868Ntz（歐洲）頻段上，具備最高20kbit/s的傳輸速率。它的基本傳輸距離在一般在75m的范圍內(nèi)，但可以無限擴展。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有低功耗、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短以及安全可靠的特點。ZigBee采用無線局域網(wǎng)（WLAN）中802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）協(xié)議，有效地避免了無線電載波之間的沖突，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴igBee設(shè)備可以無線自動組網(wǎng)，響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。ZigBee模塊使用兩節(jié)五號電池可實現(xiàn)長達6個月到2年的工作時間。

3系統(tǒng)的總體設(shè)計

高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、3G無線傳輸模塊和遠程監(jiān)測中心組成。終端采集節(jié)點連接有常用的溫度傳感器DS18B20，掛接在高壓電纜上，溫度傳感器DS18B20直接安裝在變電站高壓電纜接點處，利用直接接觸測溫方式采集接頭溫度，獲得的溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee終端節(jié)點傳輸?shù)絑igBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口與3G無線傳輸模塊連接，遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。

遠程監(jiān)測中心對接收到的溫度數(shù)據(jù)的進行分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)需要存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)溫度超過預(yù)先設(shè)定的溫度極限值時，發(fā)出報警信息，提醒值班人員緊急處理，以保證電力系統(tǒng)安全運行。

4硬件設(shè)計

終端采集節(jié)點由傳感器采集模塊、ZigBee無線通信模塊以及電源模塊組成。傳感器采集模塊采用1-Wire總線技術(shù)的DS18B20溫度傳感器。ZigBee無線傳輸模塊采用CC2430芯片，Chipcon公司的CC2530是用于頻率為2.4Ghz的IEEE802.15.4、zigbee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（System on Chip，簡稱SoC）解決方案。在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU（8051），具有128KB可編程內(nèi)存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2530芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

3G無線通信模塊采用的是華為公司生產(chǎn)的MU509（UMTS/HSDPA 2100NHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900MHz）通訊模塊，是雙頻WCDMAA工業(yè)級無線模塊，支持3.6Mbps下行速率；提供高質(zhì)量的語音、短信功能，F(xiàn)OTA功能，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，以及華為擴展AT命令集。工作電壓范圍為3.3V到4.2V，MU509有8個wire UART。采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口，支持語音數(shù)據(jù)以及短消息（SMS）的接收、發(fā)送以及對短信的管理，支持TCP/IP，UDP/IP，PPP protocol通信協(xié)議。嵌入式ARM微處理器可以借助3G無線通信模塊強大的數(shù)據(jù)傳輸功能實時地進行信息處理。

5軟件設(shè)計

軟件設(shè)計在德州TI公司研發(fā)的IAR Zstack-CC2530-2.5.1環(huán)境下進行編譯，協(xié)議棧是協(xié)議和用戶之間的一個接口，開發(fā)人員通過使用協(xié)議棧來使用這個協(xié)議的，進而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。

包括終端節(jié)點、路由器協(xié)調(diào)器、以及3G無線通信模塊程序的設(shè)計，終端節(jié)點采集溫度數(shù)據(jù)，路由器進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和分組，協(xié)調(diào)器主要進行組網(wǎng)。3G無線通信模塊在Red Hat Linux下，進行交叉編譯，使用AT指令進行撥號上網(wǎng)。通過Linux環(huán)境下socket函數(shù)建立的TCP/IP傳輸控制協(xié)議通道，通道能夠?qū)崿F(xiàn)各模塊之間通信，通過AT指令設(shè)置，完成3G無線通信模塊的初始化，AT IPR=38400設(shè)置3G模塊的波特率為38400b/s，AT CGD CON=1，“IP”，“CMNET”命令符進行3G網(wǎng)絡(luò)鏈接，鏈接成功之后，則將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)測中心。

6測試結(jié)果與分析

通過對某220kV變電站高壓電纜接頭的溫度進行實時在線監(jiān)測，可以得到每隔5分鐘采集一次的溫度數(shù)據(jù)。觀測其數(shù)據(jù)的變化，根據(jù)該220kV變電站實際的運行規(guī)律，設(shè)定溫度最高報警閾值，如果監(jiān)測的溫度大于報警閾值，則發(fā)生警報。通過分析數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)上下波動較穩(wěn)定，且小于報警閾值，沒有出現(xiàn)任何異常泄露，220kV變電站運行良好。

7結(jié)語

基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)可以及時監(jiān)測到高壓帶電體的溫度等數(shù)據(jù)，在遠程監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進行處理和分析，如果監(jiān)測到溫度數(shù)據(jù)值超過了設(shè)定的最大溫度值時，發(fā)出報警信息，以確保電力系統(tǒng)的安全運行和調(diào)度。多次在現(xiàn)場測試實驗中，ZigBee終端節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)、穩(wěn)定傳輸能力，對所測得的溫度數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確無誤的傳輸，可以滿足變電站自動化通信系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)了無線化，克服了變電站布線難、高溫易損壞，成本高的缺點，具有很高的應(yīng)用價值。