基于ZigBee技術(shù)的變電站高壓室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊旭英，楊俊杰

YANG Xu-ying1, YANG Jun-jie2

（1. 北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，銀川 750021；2.渭南供電局，渭南 714200）

0 引言

國(guó)內(nèi)35kV及以下高壓設(shè)備都采用室內(nèi)運(yùn)行方式，運(yùn)行中主要監(jiān)視室內(nèi)溫度、濕度等信息[1,2]。室內(nèi)濕度太高則會(huì)降低設(shè)備絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)有結(jié)露現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生爬電、閃絡(luò)或直流接地等嚴(yán)重故障；濕度太低則容易產(chǎn)生靜電，損壞設(shè)備的內(nèi)部元器件，嚴(yán)重時(shí)引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作[3～5]。溫度若超出規(guī)定范圍則會(huì)導(dǎo)致電子元件壽命縮短、金屬材料機(jī)械強(qiáng)度下降、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)張力變化等隱患的發(fā)生。傳統(tǒng)的高壓室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)一般采用有線連接，布線繁雜，容易受到干擾，成本較高，而ZigBee技術(shù)作為新興的無(wú)線通信技術(shù)，具有功耗低、成本低、時(shí)延短、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使用較為廣泛[6～9]。

本文介紹了一種以智能控制器為核心，基于ZigBee通信技術(shù)的變電站高壓室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)監(jiān)測(cè)變電站高壓室的高壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高壓室溫濕度數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，同時(shí)上傳至監(jiān)控主機(jī)，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，保障變電站高壓設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)而成，所有的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互發(fā)數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作中，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后通過(guò)串口上傳給監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，按照一定的控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)控制策略將控制命令下發(fā)給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，控制風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備，調(diào)節(jié)變電站高壓室溫濕度參數(shù)，同時(shí)在監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的作用主要是檢測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)，并且通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給中心節(jié)點(diǎn)，硬件主要包括微控制器模塊、傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊以及系統(tǒng)電源模塊等，電路如圖2所示。

本系統(tǒng)選擇德州電子公司的CC2530-F256作為終端節(jié)點(diǎn)的控制核心，CC2530-F256是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案，供電電壓2V～3.6V，集成了增強(qiáng)型的8051內(nèi)核、ADC、USART及無(wú)線傳輸模塊等，支持ZigBee協(xié)議棧，具有超低功耗、高靈敏度及抗干擾性能，僅需較少的外圍器件就實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能[10,11]。

溫濕度傳感器采用的是瑞士S e n s i r i o n 公司的S H T 1 5，供電電壓2.4 V ～5.5 V，溫度測(cè)量范圍-40oC～+123.8oC，濕度測(cè)量范圍0～100%RH，其將敏感元件、信號(hào)處理電路及A/D轉(zhuǎn)換器等集成在一起，直接將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過(guò)串行通信的方式傳輸?shù)娇刂破鳎哂袠O高的可靠性與長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)電源直接采用AMS1117-3.3V正向低壓降壓器作為穩(wěn)壓直流電源，該芯片內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，具有較寬的電壓輸入范圍（4.75V～12V），輸出穩(wěn)定的3.3V電壓，最大輸出電流1A，能夠滿足終端節(jié)點(diǎn)硬件需要。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

2.2 中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)與所有的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)RS232串口通信電路與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信，執(zhí)行監(jiān)控主機(jī)的控制命令。中心節(jié)點(diǎn)硬件電路主控芯片仍然采用CC2430-F256，在該芯片的應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上擴(kuò)展串行通信接口，選用SP3232芯片實(shí)現(xiàn)TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換，SP3232芯片引腳16個(gè)，電源電壓范圍在3V～5.5V，工作電壓為3.3V時(shí)只需0.1μF電容就可進(jìn)行操作，電路如圖3所示。

圖3 串行接口硬件電路圖

中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的紐帶和橋梁，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送都需要經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，信號(hào)傳送涉及到大量信息及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，本系統(tǒng)選擇M25PE20 存儲(chǔ)器提高中心節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力，該存儲(chǔ)器是一種 2Mbit的串行分頁(yè)快速可擦除閃存，它通過(guò)可兼容的高速SPI總線來(lái)獲取數(shù)據(jù)，極大促進(jìn)了信號(hào)在Flash存儲(chǔ)器中的快速存儲(chǔ)能力，緩解了芯片自身存儲(chǔ)器的壓力，其應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)器接口電路

本監(jiān)控系統(tǒng)在高壓室溫濕度超出設(shè)定上下限時(shí)，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出控制命令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高壓室溫度、濕度等參數(shù)。中心節(jié)點(diǎn)采用PWM方式控制固態(tài)繼電器的通斷，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率，繼電器選用固態(tài)繼電器SSR-25A，該繼電器為為小型大功率固態(tài)繼電器，輸入控制電壓為3VDC～32VDC，輸出采用單向可控硅反并聯(lián)，輸出負(fù)載電壓范圍40VAC～660VAC，最大負(fù)載電流25A。其輸入端與輸出端之間采用光電隔離，介質(zhì)耐壓達(dá)到4000VAC，能有效的避免周圍電磁干擾，內(nèi)部電路如圖5所示。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件

終端節(jié)點(diǎn)的軟件主要有請(qǐng)求加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收指令等功能，流程圖如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖

終端節(jié)點(diǎn)通電后，首先進(jìn)行初始化操作，包括參數(shù)設(shè)置、寄存器初始化、工作模式選擇等；完成初始化操作后，終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始搜尋并且請(qǐng)求加入ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，得到允許后，把終端節(jié)點(diǎn)的地址信息加入到中心節(jié)點(diǎn)的綁定表中，使中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，在終端節(jié)點(diǎn)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變從而觸發(fā)消息，然后進(jìn)入設(shè)備自定義處理函數(shù)中，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，并將采集的數(shù)據(jù)封裝成一定的數(shù)據(jù)包向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送，然后接收中心節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)命令，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2 中心節(jié)點(diǎn)軟件

在Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點(diǎn)是連接網(wǎng)絡(luò)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的紐帶和橋梁，其功能主要是創(chuàng)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)數(shù)據(jù)。和終端節(jié)點(diǎn)很相似，系統(tǒng)上電后，首先完成初始化操作，然后選擇合適的信道組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，生成ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)短地址，然后等待終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，綁定終端節(jié)點(diǎn)地址信息，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)；確認(rèn)終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，接受終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并上傳至監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的控制命令，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作，調(diào)節(jié)高壓室溫濕度。中心節(jié)點(diǎn)的具體工作流程圖具體如圖7所示。

圖7 中心節(jié)點(diǎn)工作流程圖

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件

監(jiān)控中心人機(jī)交互界面是采用目前流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序的集成開(kāi)發(fā)溫濕度Visual-Studio2012中的C++編寫(xiě)，其主要功能有溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、SF6狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)顯示、報(bào)警記錄、參數(shù)設(shè)置、時(shí)間顯示、打印等功能。監(jiān)控界面設(shè)計(jì)基于MFC(微軟基礎(chǔ)類庫(kù))，溫濕度等數(shù)據(jù)被采集后通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，然后使用具有串口功能的Serial Port控件完成數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)的分析處理交由SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理，利用Picture Box控件連接數(shù)據(jù)庫(kù)即可顯示數(shù)據(jù)曲線。

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，打開(kāi)串口，就可將接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加入到各終端節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)可以從運(yùn)行界面看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化曲線以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)，歷史數(shù)據(jù)通過(guò)查看選項(xiàng)進(jìn)行查詢，選擇日期時(shí)間即可查看對(duì)應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度歷史數(shù)據(jù)和變化情況，運(yùn)行界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)監(jiān)控界面

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

系統(tǒng)于2014年6月在陜西省渭南某變電站實(shí)地進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)變電站高壓室溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)地監(jiān)控，選擇4個(gè)測(cè)量點(diǎn)安置了4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)及一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)組網(wǎng)成功后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸測(cè)試。設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)以3s為周期將溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，再由中心節(jié)點(diǎn)上傳到監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)顯示數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)溫濕度測(cè)量工具檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差不超過(guò)1%；數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試中，沒(méi)有障礙物的情況下，50m內(nèi)數(shù)據(jù)能夠有效傳輸，丟包率小于1%；經(jīng)過(guò)一個(gè)月的運(yùn)行，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)傳感器工作正常，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、報(bào)警機(jī)構(gòu)沒(méi)有誤動(dòng)作現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果表明本監(jiān)控系統(tǒng)性能良好，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，安裝方便，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)控制終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度，能夠有效的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫濕度采集和控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

變電站高壓室內(nèi)部環(huán)境對(duì)溫濕度的要求，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于 Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫濕度度監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度，能夠有效的實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫濕度采集和控制，使用效果良好，可以節(jié)省人力物力，減少運(yùn)行成本，同時(shí)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、測(cè)量精度高、控制性能好、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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