ZigBee的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)設(shè)計研究

鄭桂城

摘 要：主要對ZigBee的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計展開了研究，對常見的測溫方法作了比較，并對系統(tǒng)的總體方案設(shè)計、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和抗干擾設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以期為有關(guān)方面的需要提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；無線測溫系統(tǒng)；ZigBee；光導(dǎo)纖維

中圖分類號：TM591 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.066

所謂“高壓開關(guān)柜”，是指用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中，起通斷、控制或保護(hù)等作用的設(shè)備，并因其具有架空進(jìn)出線、電纜進(jìn)出線和母線聯(lián)絡(luò)等功能，被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、石油化工、冶金軋鋼、輕工紡織、廠礦企業(yè)和住宅小區(qū)、高層建筑等不同場所。因此，本文對ZigBee的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了研究。

1 常見測溫方法比較

處于高壓、封閉運(yùn)行且內(nèi)部空間狹小的高壓開關(guān)柜對測溫方法有特殊的要求。貼色片測溫法是根據(jù)被測部位色片隨溫度的變化來判斷溫度的一種方法，這種方法需要專門人員定期測量，無法實時監(jiān)控開關(guān)柜的溫度變化，且屬于定性測量溫度，無法準(zhǔn)確確定溫度范圍、度差；紅外測溫法是根據(jù)被測目標(biāo)溫度的變化與紅外輻射之間的變化關(guān)系來測量溫度的一種方法，這種方法需要專門人員定期測量，人工成本高、工作效率低，無法實時監(jiān)測被測點的溫度變化，但在測量過程中，設(shè)備與開關(guān)柜被測點之間是不接觸的，因此，這種方法解決了高電壓、強(qiáng)電流下的高壓絕緣問題，同時，因具有非接觸的特性，導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備對高壓開關(guān)柜的物理特性影響非常小；光纖測溫法采用光導(dǎo)纖維傳輸溫度信號，光導(dǎo)纖維具有優(yōu)異的絕緣性能，能隔離設(shè)備的高電壓，具有較強(qiáng)的抗干擾性能，但設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴、開關(guān)柜空間狹??；無線測溫法將帶有傳感器的測溫裝置安裝在高壓開關(guān)柜的高壓區(qū)，直接接觸被測點，通過無線傳感器將被測溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)集中器，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)集中器可實時顯示被測點的溫度變化和報警，同時，數(shù)據(jù)集中器通過GPRS模塊將溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給中央監(jiān)控室，其體積較小的溫度傳感器模塊很適合安裝在空間狹小、密閉環(huán)境的開關(guān)柜內(nèi)，無線監(jiān)測方法是解決高壓開關(guān)柜溫度難以定量測量的解決方案之一。

本文基于Zig-Bee和GPRS無線組網(wǎng)技術(shù)，對高壓開關(guān)柜無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計，以完成高壓開關(guān)柜溫度的實時、在線、動態(tài)監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 ZigBee溫度采集器的硬件設(shè)計

ZigBee溫度采集器負(fù)責(zé)采集高壓開關(guān)柜的溫度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)集中器?？紤]到高壓開關(guān)柜的內(nèi)部空間、特性等因素，本文選擇不用AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字式溫度傳感器，這樣在電路板上可節(jié)省ADC部分電路。本文選用某公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，具有全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換、輸出功能，且抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、精度高。

控制器為1塊CC2530芯片作為節(jié)點的處理中心，處理DS18B20傳感器采集到的溫度信號，并將測量數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳輸給數(shù)據(jù)集中器。同時，負(fù)責(zé)接收集中器發(fā)射來的控制信號。CC2530芯片是某公司研制的一種片上系統(tǒng)，內(nèi)置協(xié)議棧，支持ZigBee和IEEE802.15.4等多種標(biāo)準(zhǔn)。芯片上集成了2.4 GHz的標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，具有極高的靈敏度和抗干擾能力，集成了增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核，具有256 KB系統(tǒng)可編程閃存。同時，還具有強(qiáng)大的外設(shè)：5通道DMA、8通道12位ADC、2個USART接口、21個通用I/O引腳等。CC2530芯片的核心板電路圖如圖1所示。

2.2 電源設(shè)計

考慮到高壓開關(guān)柜具有的高壓特點，設(shè)計電源時需要保證良好的絕緣性能和穩(wěn)定性。目前，常用的電源主要有互感器取電法和蓄電池法?；ジ衅魅‰姺桨咐么┬氖诫娏骰ジ衅鲝母邏簜?cè)母線感應(yīng)能量，互感器取電后經(jīng)過能量控制、整流、濾波和穩(wěn)壓等一系列措施后，最終為測溫裝置提供穩(wěn)定電源，但是這種方案的成本高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合在密閉、空間狹小的高壓開關(guān)柜中使用。

ZigBee溫度采集器具有能耗低的特點，1塊蓄電池可使用2～3年，且價格便宜。因此，本系統(tǒng)采用蓄電池供電，采用通過TPS79533轉(zhuǎn)換為3.3 V工作電壓的供電方案。

2.3 數(shù)據(jù)集中器的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)集中器模塊主要包括CC2530、控制單元、LCD顯示屏、鍵盤、GPRS模塊、報警和電源燈等部分。

數(shù)據(jù)集中器模塊主要由3部分組成，CC2530部分主要完成接收ZigBee溫度采集器傳輸回來的溫度數(shù)據(jù)和相應(yīng)的地址；控制單元主要完成溫度數(shù)據(jù)的處理和實時報警，通過LCD模塊實時顯示采集到的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，報警裝置開始工作；控制單元通過RS232和GPRS模塊完成通信任務(wù)，通過GPRS模塊將所采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。本設(shè)計采用某公司生產(chǎn)的新一代GPRS雙模模塊MC35i，可快速、安全和可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，具有始終在線功能，理論傳輸速率達(dá)171.2 kb/s。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括ZigBee溫度采集器軟件設(shè)計，采集溫度處理軟件設(shè)計，報警、鍵盤和串口等接口軟件設(shè)計以及上位機(jī)軟件設(shè)計。本文僅對ZigBee溫度采集器軟件設(shè)計進(jìn)行分析。軟件設(shè)計為：系統(tǒng)復(fù)位、初始化高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度傳感器節(jié)點，溫度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)輸送到處理器進(jìn)行相關(guān)處理，經(jīng)過處理器處理的數(shù)據(jù)通過CC2530無線發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，發(fā)送完一次數(shù)據(jù)后，CC2530進(jìn)入休眠狀態(tài)，按照實際情況設(shè)定合適的休眠時間，當(dāng)計時器沒有達(dá)到設(shè)定值時繼續(xù)休眠，否則，啟動下一次溫度數(shù)據(jù)采集。

4 抗干擾設(shè)計

在高電壓、大電流的狀態(tài)下運(yùn)行的高壓開關(guān)柜一旦出現(xiàn)事故，將出現(xiàn)強(qiáng)烈的磁場、電場和電磁干擾等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會對微電子系統(tǒng)級微弱信號的處理造成不利影響。本文采用以下3種方法解決該問題：①軟件抗干擾設(shè)計。利用先進(jìn)的編碼、解碼技術(shù)，將干擾信號剔除，留下有用信號。②硬件抗干擾設(shè)計。電磁干擾屬于高頻干擾，利用低通濾波器可以消除高頻干擾，留下需要的低頻信號，同時，采用金屬屏蔽法屏蔽電磁高頻干擾。③算法抗干擾設(shè)計。相對于軟件速度而言，觸頭溫度變化相對較緩慢，利用該特點對被監(jiān)測點溫度信號進(jìn)行多次測量，可開發(fā)相關(guān)數(shù)學(xué)算法，從而剔除干擾信號。

5 結(jié)束語

本文在分析高壓開關(guān)柜常用測溫方法優(yōu)、缺點的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZigBee和GPRS無線組網(wǎng)技術(shù)的高壓開關(guān)柜無線溫度監(jiān)控方法，并對系統(tǒng)的關(guān)鍵硬、件軟件進(jìn)行了分析設(shè)計。本方法不僅能確保高壓隔離和創(chuàng)造適合空間狹小、密閉的高壓開關(guān)柜，還實現(xiàn)了高壓開關(guān)柜溫度的實時、在線、定量監(jiān)測，降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了監(jiān)測精準(zhǔn)度。

綜上所述，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率和低成本的雙向無線通訊技術(shù)，而本文主要研究了將其應(yīng)用到高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)中的設(shè)計，并結(jié)合了具體實例，旨在為類似的應(yīng)用提供參考范例。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： Mainly design of the ZigBee high voltage switch cabinet wireless temperature measurement system was studied. On the common methods of measuring were compared， and the system's overall program design and monitoring system hardware design， software design and anti-interference design has carried on the system analysis， in order to close the need to provide reference and reference.

Key words： high voltage switchgear； wireless temperature measurement system； ZigBee； optical fiber