基于ZigBee的煤礦高壓開關柜無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

白 澤

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤礦高壓開關柜在礦井中廣泛應用，其作為重要的配電設備，承擔著電力分配的重任，因此高壓開關柜的運行情況關系著煤礦生產(chǎn)進程以及生產(chǎn)安全[1-2]。煤礦生產(chǎn)企業(yè)對電力供應的穩(wěn)定性以及可靠性要求較高，目前在實際生產(chǎn)過程中，對煤礦高壓開關柜的監(jiān)測有所欠缺，開關柜的故障情況時有發(fā)生，甚至引起非計劃停電，給企業(yè)造成了較大的人力、物力的浪費，嚴重損害了企業(yè)的經(jīng)濟效益[3-4]。

本文針對這一現(xiàn)狀，設計了一套基于ZigBee 無線傳輸技術與微處理器技術的煤礦高壓開關柜的監(jiān)測與報警系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)對開關柜關鍵電氣設備的連續(xù)在線狀態(tài)監(jiān)測，并根據(jù)相關規(guī)范以及實際情況設定了預警值，對故障及時甄別與預警，有效保障煤礦生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。

1 總體方案

煤礦高壓開關柜包含的電氣設備眾多，包含熔斷器、斷路器、真空接觸器、柜體等設備。目前針對高壓開關柜的監(jiān)測主要通過布置溫度傳感器進行測量，且一般采用有線傳輸，存在布線復雜、成本較高、靈活性差的缺點，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。而ZigBee 技術作為一項新興的短距離無線通信協(xié)議，適用于傳輸范圍較短、數(shù)據(jù)傳輸速率低的場景，且具有低功耗、低成本、支持多種拓撲結構的特點[5-6]。ZigBee與其他無線通訊協(xié)議相比最大的優(yōu)勢是它結構相對簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)快速組網(wǎng)，可靠性較高，廣泛應用于工業(yè)監(jiān)測領域。

本文基于ZigBee 無線通訊協(xié)議對煤礦高壓開關柜的無線監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計，將系統(tǒng)分為三層結構，包括現(xiàn)場應用層、網(wǎng)絡傳輸層以及監(jiān)測處理層?，F(xiàn)場應用層利用不同傳感器對反應高壓開關柜運行狀態(tài)的參數(shù)進行檢測；網(wǎng)絡傳輸層利用無線傳輸網(wǎng)絡以及無線收發(fā)設備進行數(shù)據(jù)的傳輸；監(jiān)測處理層對來自通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、處理、運算等給出判定結果，據(jù)此完成對設備狀態(tài)的評估以及預警功能[7-8]。監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結構圖

2 系統(tǒng)整體設計

監(jiān)測系統(tǒng)由3 層結構組成?，F(xiàn)場應用層即傳感器布置層，傳感器檢測到設備信號，經(jīng)過放大調(diào)理模塊的預處理后,傳輸給與傳感器相連的網(wǎng)絡傳輸層；網(wǎng)絡傳輸層無線收發(fā)模塊通過無線傳輸將數(shù)據(jù)給無線接收基站（主站），由無線接收基站與微處理器連接，系統(tǒng)軟件根據(jù)數(shù)據(jù)處理流程對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、處理、運算，根據(jù)運算值分別判斷運行狀況正常與否，決定是否發(fā)出預警；微處理器可與上位機之間實現(xiàn)信息交互并可完成與工程技術人員的信息交互。

2.1 系統(tǒng)硬件選型

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成設備包括傳感器、無線收發(fā)芯片、底板、天線、微處理器，電源、通訊接口等。無線收發(fā)模塊作為現(xiàn)場應用層與網(wǎng)絡傳輸層連接轉(zhuǎn)換的重要設備，根據(jù)需要選擇某公司生產(chǎn)的CC2430芯片，它包含1個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和1個8位的8051微處理器，實現(xiàn)了對處理器、模擬電路、存儲器、RF的整合封裝，擁有21可編程I/O引腳，具有開發(fā)成本較低、功耗較低、可靠性好的特點。微處理器選用STM32F系列32位ARM微控制器，意法半導體(ST)公司設計制造，集成了定時器、ADC、SPI、USB、UART等多種功能。

2.2 監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊傳感器節(jié)點由傳感器、無線收發(fā)芯片、天線以及電源模塊等共同組成。傳感器完成對監(jiān)測測點位置的溫度、振動值、電流信息的感知并將其轉(zhuǎn)換為電信號，其中溫度傳感器布置點為高壓開關柜的觸頭位置的附近，振動傳感器安裝在高壓開關柜斷路器的外部，絕緣監(jiān)測則依靠電流傳感器對泄露電流的檢測完成。來自傳感器的信號，經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為標準數(shù)字信號到無線收發(fā)部分，通過無線收發(fā)芯片搭配天線完成對來自傳感器信息的無線傳輸，并最終將信息匯總到監(jiān)測主站的微處理器中，通過軟件程序計算完成對信息的轉(zhuǎn)換、處理，運算操作并根據(jù)運算結果給出指令，各監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)控主站通過ZigBee 無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)通訊。電源模塊則負責提供穩(wěn)定可靠電力供應。

監(jiān)測模塊的傳感器節(jié)點作為ZigBee 網(wǎng)絡的子節(jié)點，而監(jiān)測主站作為網(wǎng)關節(jié)點，控制其他子節(jié)點并完成對數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換、處理、運算等功能。各節(jié)點的CC2430模塊在接收模式時通過天線接收RF 信號，再通過低噪聲放大器變頻為2 MHz的中頻信號，之后經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。而在發(fā)射模式時，經(jīng)過調(diào)制的基帶信息，經(jīng)由D/A 轉(zhuǎn)換器再通過單邊帶調(diào)制器完成低通濾波變頻為RF信號進行發(fā)送。監(jiān)測模塊傳感器節(jié)點的結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測模塊傳感器節(jié)點結構圖

3 網(wǎng)絡通信

圖3 STM32F103與CC2430連接接口圖

監(jiān)測模塊傳感器信號通過調(diào)理電路完成格式的轉(zhuǎn)換，傳輸給無線收發(fā)模塊。CC2430 無線收發(fā)模塊通過FIFOP、FIFO、CCA 以及SFD 這4 個引腳表示數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài)。監(jiān)測主站微處理器作為主設備和CC2430從設備通過SPI接口連接實現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，通過SPI 接口訪問CC2430 的寄存器和存儲器，CC2430接收來自處理器的SCLK和CS信號。各監(jiān)測分站與監(jiān)測主站之間基于IEC802.15.4協(xié)議實現(xiàn)無線通信。監(jiān)測主站通過RS485 串行接口實現(xiàn)與上位機的連接。STM32 與CC2430連接接口圖如圖3所示。

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計利用LAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)，該軟件功能強大、操作簡單具有豐富的源代碼，簡單易學、連接也較為方便，是目前較為方便且實用的嵌入式開發(fā)應用環(huán)境。它可與多種調(diào)試器、仿真器結合，能夠同時完成微處理器以及ZigBee 終端的軟件程序開發(fā)、調(diào)試、測試工作。將硬件設備與電腦連接，通過該工具結合C 語言知識完成程序編寫，完成對工程創(chuàng)建設置、程序的編譯、協(xié)議棧(Z-Stack)函數(shù)的調(diào)用與在線的仿真調(diào)試等一系列操作。監(jiān)測系統(tǒng)軟件工作主流程如圖4所示。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡工作流程圖

5 結束語

本文設計了一套主要用于煤礦高壓開關柜的監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)基于ZigBee無線通訊技術，能夠?qū)崿F(xiàn)對反應高壓開關柜電氣設備的狀態(tài)參數(shù)的采集、處理與運算，完成監(jiān)測與預警過程。系統(tǒng)基于無線監(jiān)測避免了有線監(jiān)測的不靈活和高耗費，監(jiān)測效果好，自動化程度高，有效改善了高壓開關柜故障率高、檢修費時費力的問題，提高了煤礦高壓開關柜配電的穩(wěn)定性與可靠性。