基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)

郭耀華

(唐山學院信息工程系，河北唐山　063008)

0　引言

隨著供電負荷的迅速增加以及供電設(shè)備的老化，變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭、電纜接頭、室外刀閘開關(guān)等重要的設(shè)備在長期運行過程中，容易因絕緣老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，從而嚴重影響到用電安全，給供電、用電雙方帶來巨大的經(jīng)濟損失，因此對變電站設(shè)備進行溫度實時監(jiān)測是十分必要的[1]。文中采用物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)，以溫度信息采集、存儲、通信、處理為研究對象，設(shè)計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線通信的遠程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)對接將信息傳輸?shù)竭h程的監(jiān)控中心，這套系統(tǒng)避免了有線傳輸系統(tǒng)的線路鋪設(shè)，而且解決了ZigBee技術(shù)只能進行短距離傳輸?shù)膯栴}，使用GPRS技術(shù)實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，遠程監(jiān)控中心三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負責現(xiàn)場變電站設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的采集，網(wǎng)絡(luò)由若干溫度傳感器和Zigbee終端節(jié)點一起組成星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點負責變電站現(xiàn)場設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的采集和傳輸；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負責底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器采用嵌入式技術(shù)和GPRS通信模塊，接收和存儲終端節(jié)點發(fā)送來的信息，通過服務(wù)器、GPRS網(wǎng)絡(luò)將終端節(jié)點數(shù)據(jù)上傳到遠程終端，最終實現(xiàn)底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。遠程監(jiān)控中心主要負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的管理，通過服務(wù)器軟件處理和存儲采集到的現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行分析和匯總，采用分布式架構(gòu)，有效的實現(xiàn)了智能變電站各個設(shè)備溫度的遠程監(jiān)控。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點負責采集智能變電站設(shè)備節(jié)點的溫度，并將采集的信息存儲在存儲模塊，以備服務(wù)器查詢以往的狀態(tài)設(shè)備，終端節(jié)點由ZigBee主控芯片和溫度傳感器組成，硬件框圖如圖2所示。

溫度傳感器選用DS18B20，它體積小、功耗低、精度高，是采用單總線傳輸?shù)臄?shù)字式傳感器，可以提供9～12位的攝氏溫度，工作溫度范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃范圍內(nèi)精度為0．5 ℃．

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2　網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點硬件框圖

ZigBee主控芯片選用CC2430，CC2430是首款符合ZigBee標準的2．4 GHz系統(tǒng)單芯片SOC，是高度整合的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器，芯片上整合了ZigBee射頻收發(fā)器、內(nèi)存、8050微控制器、ADC、DMA．它具有128KB的可編程Flash和8KB的RAM，1個16位計時器，2個8位定時器和21個可編程I/O引腳，無需其他的處理器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單[4]。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)終端中CC2430直接與DS18B20相連，接受數(shù)字溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

終端節(jié)點電源的設(shè)計可以采用高壓側(cè)自具電源供電和電池供電兩種方式，兩種方式的選擇由終端節(jié)點的安裝位置決定，如果節(jié)點是高壓開關(guān)柜觸頭上的測溫點，這些節(jié)點的電源可采用高壓側(cè)自具電源供電的方式，通過電流互感器和整流濾波電路獲得，由于觸頭上流過的是交變電流，通過電磁感應(yīng)，就從一次電流回路取電提供節(jié)點的電源模塊，電源模塊通過整流濾波，提供3．3 V電壓給終端節(jié)點和溫度傳感器供電，磁鐵和線圈的結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)要根據(jù)觸頭形狀和觸壁外圍不同而不同。如果節(jié)點是變壓器外殼等測溫點，則節(jié)點的供電方式可以通過電池來解決。CC2430工作時的電流損耗為27 mA，在接受和發(fā)射模式下，電流損耗分別小于27 mA或25 mA，在休眠模式是僅為0．9 μA，在待機模式時小于0．6 μA，由于CC2430從休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的時間非常短，因此特別適合采用電池供電[1]。

2．2網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負責ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳遞，終端節(jié)點采集的變電站各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中嵌入式處理器的處理后，發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由3部分組成，分別為ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，嵌入式處理器和GPRS通信模塊，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件框圖

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊仍然采用CC2430芯片。處理器是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心，需要大量的存儲空間，而且要求較高的數(shù)據(jù)吞吐率和處理能力[2]，因此設(shè)計選用了ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式處理器S3C2410作為主控微處理器，采用電源供電。該芯片工作頻率為220 MHz，具有低功耗、高性能，具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。

GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種無線分組交換技術(shù)，它支持TCP/IP協(xié)議，可以與Internet網(wǎng)絡(luò)直接互聯(lián)，方便用戶進行遠程網(wǎng)絡(luò)的接入[3]。設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中的GPRS傳輸模塊選用GTM900B，它是一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊，它支持900 MHz/1 800 MHz雙頻自動選擇，支持標準的 AT命令交互數(shù)據(jù)模式，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，該模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash，SRAM、GSM基帶處理器等組合[2]，處理主控制器發(fā)送的AT指令，實現(xiàn)信號的調(diào)制、解調(diào)和信號轉(zhuǎn)換。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個軟件由3部分組成：傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊軟件和遠程監(jiān)控管理模塊。

3．1網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點由CC2430通過串行接口和DS18B20進行通信，實現(xiàn)現(xiàn)場節(jié)點數(shù)據(jù)的采集和傳輸。終端節(jié)點在工作前，需進行有效的初始化，在初始化過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出主動請求連接傳感器節(jié)點的信令，在傳感器節(jié)點成功接收和驗證一個數(shù)據(jù)幀，返回確認幀后，各個終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后節(jié)點處于休眠低功耗模式。CPU定時喚醒工作，每次喚醒后，CC2430進入正常工作狀態(tài)，采集變電站各個節(jié)點數(shù)據(jù)，然后將溫度值打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器，CC2430發(fā)送成功后，繼續(xù)轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下一次的定時喚醒[5]。終端節(jié)點工作流程如圖4所示。

圖4　網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點軟件流程圖

3．2網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡(luò)的建立，信息的接受、處理，以及控制指令的發(fā)送和執(zhí)行。在接受到來自各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)嵌入式處理器處理后通過GPRS發(fā)送到遠程控制中心。整個系統(tǒng)初始化后，GTM900B接受AT指令，與遠程監(jiān)控中心進行連接，通信鏈路接通以后就一直處于在線狀態(tài)以隨時等候遠程監(jiān)控中心的命令，當收到遠程監(jiān)控中心傳來的采集指令后，嵌入式控制器控制ZigBee協(xié)調(diào)器模塊完成與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的采集終端的通信，最后將處理結(jié)果返回遠程監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也定時控制終端節(jié)點采集各監(jiān)測點的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常，則立即與遠程監(jiān)控中心通信，將監(jiān)測點的異常數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務(wù)器，減少了遠程監(jiān)控端的值守時間。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件流程圖見圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)終端和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計均需要向ZigBee模塊移植ZigBee協(xié)議棧，設(shè)計使用了MSSTATE協(xié)議棧MSSTATE協(xié)議棧主要分為4層，分別為物理層(PHL)、媒體訪問層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)。與硬件底層密切相關(guān)的PHY層和MAC層，為上層通信的應(yīng)用提供API接口函數(shù)。

圖5　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件流程圖

3.3遠程監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用面向TCP/IP協(xié)議Socket通信機制的C/S機構(gòu)，采用C++語言編寫，主要功能是偵聽Socket請求并建立網(wǎng)絡(luò)連接，將接收到的數(shù)據(jù)存儲到指定IP地址服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中[2]。數(shù)據(jù)庫使用Microsoft SQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的存儲和管理。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有的功能如下：

(1)用戶管理功能：能給不同的用戶分配不同的管理權(quán)限，對整個監(jiān)控系統(tǒng)進行管理。

(2)數(shù)據(jù)采集功能：能實時顯示各個高壓開關(guān)柜測量節(jié)點的實時溫度數(shù)據(jù)和溫度變換率。

(3)查詢和報表輸出功能：可查詢和報表打印輸出高壓開關(guān)柜各個測量節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)，并通過一定算法進行統(tǒng)計。

(4)異常報警功能：實時顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)的異常情況或報警，及時通知操作員對出現(xiàn)的報警信息進行確認和管理。

(5)系統(tǒng)自檢和參數(shù)設(shè)定功能：實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢功能，并能進行遠程溫度上限值的設(shè)定和溫度采集頻率的設(shè)定和管理。

4　應(yīng)用舉例

該系統(tǒng)對工廠變電站中的高壓開關(guān)柜的觸頭溫度進行實時監(jiān)測，每個高壓柜安裝9個無線溫度傳感器，分別對A相，B相和C相的上刀閘，下刀閘和斷路器9個節(jié)點進行溫度測量，另外增加了1個室內(nèi)溫濕度傳感器。高壓開關(guān)柜中1個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　單個節(jié)點溫度值

經(jīng)現(xiàn)場測試，各個監(jiān)測點的傳感器工作正常，能有效準確的發(fā)送實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測溫比對誤差為完全能滿足設(shè)計要求。

5　結(jié)束語

文中探討了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計包括系統(tǒng)的總體架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)等模塊的軟硬件設(shè)計。整個設(shè)計的創(chuàng)新點在于應(yīng)用ZigBee技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了變電站各個節(jié)點溫度數(shù)據(jù)的無線遠程監(jiān)測，并在硬件平臺上完成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)傳輸。從檢測結(jié)果來看，該網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、抗干擾性強、功耗小、移動性強和成本低等特點，對設(shè)備安全運行無任何影響，成為變電站設(shè)備維護狀態(tài)檢修發(fā)展的方向，為實現(xiàn)智能變電站打下堅實的基礎(chǔ)，另外也可廣泛應(yīng)用在溫濕度檢測等多種工業(yè)場合，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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