基于ZigBee技術(shù)的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張柏毅　萬(wàn)年強(qiáng)　滕國(guó)欣

摘 要：針對(duì)目前電力電纜運(yùn)行環(huán)境的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，介紹了基于ZigBee技術(shù)的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了針對(duì)地下電纜的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)傳輸距離和采集精度進(jìn)行了試驗(yàn)，提高了電力電纜監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；傳感器；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；溫濕度

中圖分類號(hào)：TM249+.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.093

文章編號(hào)：2095-6835（2015）15-0093-02

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，通信技術(shù)和電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國(guó)很多單位和生產(chǎn)商逐步開(kāi)始對(duì)不同類型的電力監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。運(yùn)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)地下電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，相比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，可提高對(duì)電力電纜的監(jiān)測(cè)效果，且降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了人身安全，同時(shí)，可提高電力企業(yè)電纜監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度，具有重要的意義。

1 ZigBee通信技術(shù)

與目前的無(wú)線通信技術(shù)比較，ZigBee通信技術(shù)的功耗、成本最低，是具有數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、自動(dòng)組網(wǎng)、復(fù)雜度低、靈活性高和成本低等多種優(yōu)點(diǎn)的雙向通信技術(shù)，可用于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制等方面，還可方便地嵌入多種設(shè)備中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能。將其應(yīng)用在電力電纜監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)為：可避免長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)衰減、解決高壓設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題，從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低運(yùn)維成本。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建監(jiān)測(cè)電力電纜的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由三部分組成：接收端、上位機(jī)操作系統(tǒng)和發(fā)送端。由1個(gè)或多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)終端構(gòu)成發(fā)送端，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)是由一組監(jiān)測(cè)線路的相關(guān)傳感器（溫度傳感器、煙感傳感器、水位傳感器和運(yùn)行環(huán)境溫濕度傳感器等）和1個(gè)ZigBee無(wú)線射頻模塊構(gòu)成。傳感器將采集的相關(guān)電纜數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee無(wú)線射頻模塊，再經(jīng)由ZigBee無(wú)線射頻模塊中內(nèi)嵌的電子芯片對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給接收端；接收端部分由1個(gè)ZigBee射頻模塊和1個(gè)RS232串口模塊組成，接收模塊即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它構(gòu)建1個(gè)星形結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并由RS232傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。這便是ZigBee通信系統(tǒng)一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的全部過(guò)程。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分采用CC2530微處理器，該模塊待機(jī)時(shí)的電流消耗僅為0.2 μA，在32 kHz晶體時(shí)鐘狀態(tài)下運(yùn)行，可達(dá)到<1 μA的電流消耗，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且CC2530可滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHzISM波段，還可滿足低成本、低功耗的需求。1個(gè)電子芯片上可嵌入包括ZigBee射頻模塊（RF）前端、CC2530微控制器和內(nèi)存。為了使該硬件系統(tǒng)適用于各種環(huán)境工作，它集成了1個(gè)8051控制器和1個(gè)高性能的2.4 GHzDSSS（可實(shí)現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻）的射頻收發(fā)器核心，具有可編程閃存為128 kB和8 kB的RAM，還包含休眠模式定時(shí)器（32 kHz晶振）、ADC、上電復(fù)位電路、掉電監(jiān)測(cè)電路、定時(shí)器、I/O引腳20個(gè)（可編程），可使ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)達(dá)到微型化的目的。

硬件系統(tǒng)的傳感器部位將信號(hào)放大調(diào)理器、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字通信接口集成在一起。圖1為CC2530的電路圖。

3.1 發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊對(duì)電力電纜的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。由于發(fā)送端節(jié)點(diǎn)集成了CC2530處理器模塊，所以，可實(shí)現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的功能。通過(guò)處理器模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接收端接收到的是處理后的數(shù)據(jù)，天線模塊對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。電源模塊主要給整個(gè)硬件系統(tǒng)供電。發(fā)送端節(jié)點(diǎn)可直接組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的1個(gè)基本單元，該硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖1 CC2530應(yīng)用電路圖

圖2 發(fā)送端整體設(shè)計(jì)圖

3.2 接收端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

在基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不能僅設(shè)計(jì)1個(gè)單獨(dú)的通信網(wǎng)絡(luò)模式，需要1個(gè)主機(jī)顯示屏中顯示無(wú)線監(jiān)測(cè)傳感器所獲取的數(shù)據(jù)。采用LCD模塊能顯示功能菜單，從而使電力技術(shù)人員通過(guò)操作按鍵與組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳感器建立有效的交互界面，并通過(guò)LED燈可查看網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，如果組網(wǎng)成功，則LED燈會(huì)給予提示。

接收模式的CC2530微處理器模塊中，混頻器將傳入經(jīng)過(guò)低噪聲放大器處理后的RF接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。在處理中頻信號(hào)時(shí)，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波后傳入解調(diào)器中解調(diào)，數(shù)據(jù)被解調(diào)后傳輸?shù)轿灰萍拇嫫?，之后由RFBUF存儲(chǔ)。MCU將數(shù)據(jù)載入到UART的數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF中，并將采集的數(shù)據(jù)由RS232模塊串口傳入上位機(jī)中。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)RS232串口將接收端連接至上位機(jī)。為了使電力技術(shù)人員能確定地下電纜的位置，接收端需要接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)傳感器的地址信息，存儲(chǔ)地址表并用IAR7.51A軟件完成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并使用TI的Z-STACK協(xié)議棧。

5 電纜溫濕度數(shù)據(jù)的采集試驗(yàn)分析

經(jīng)過(guò)以上步驟，可成功建立ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，硬件實(shí)物圖如圖3所示，圖3中傳感器為溫濕度傳感器。

本次以測(cè)試電力電纜溝內(nèi)的溫濕度環(huán)境為目的，同時(shí)，對(duì)通信質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。為了找出更加可靠、穩(wěn)定的通信距離，將按不同的距離安置終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，以便于檢測(cè)通信質(zhì)量。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離在100 m之內(nèi)都可確保測(cè)量的電纜溝具有良好的通信質(zhì)量。在試驗(yàn)中，每小時(shí)進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集。在采集節(jié)點(diǎn)不工作的情況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)成休眠狀態(tài)。

圖3 硬件實(shí)物圖

在電力電纜采集到不同位置的溫度和濕度值后，可將數(shù)據(jù)與實(shí)際的溫度和濕度進(jìn)行比對(duì)，并對(duì)比采集的數(shù)據(jù)誤差，從而獲得檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度，具體如表1所示。

表1 電纜溫濕度監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值的比對(duì)

對(duì)比試驗(yàn)電纜監(jiān)測(cè)溫濕度結(jié)果與實(shí)際值后發(fā)現(xiàn)，溫度誤差值均控制在0.5 ℃以內(nèi)，濕度值的實(shí)際值與測(cè)試值誤差控制在0.5%的范圍內(nèi)。

在電力電纜的監(jiān)測(cè)中，該誤差值不會(huì)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)造成影響，屬于系統(tǒng)測(cè)量的控制范圍內(nèi)。在監(jiān)測(cè)運(yùn)行電力線路的溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)對(duì)通信質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)選取電纜溝內(nèi)的不同位置檢驗(yàn)該系統(tǒng)的測(cè)試精度，通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的安放位置，使之達(dá)到最佳的通信質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了ZigBee通信技術(shù)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，證明該系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)，具有靈活的組網(wǎng)方式。通過(guò)采集電纜溝溫濕度的試驗(yàn)說(shuō)明，該無(wú)線傳感器系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了電力線路監(jiān)測(cè)所需要確定的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的有效距離和監(jiān)測(cè)精度。在今后的工作中，可將該ZigBee與GPRS技術(shù)相結(jié)合，選擇適當(dāng)位置放置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸功能。將其用于電力電纜監(jiān)測(cè)中，可根據(jù)電力企業(yè)輸電線路的實(shí)際情況設(shè)定設(shè)備參數(shù)，可極大地降低人工巡檢的勞動(dòng)強(qiáng)度、保障人員的人身安全、節(jié)約大量的人力、財(cái)力、物力等直接經(jīng)濟(jì)成本，不會(huì)因線路故障停電而造成重大經(jīng)濟(jì)損失，在推進(jìn)電力企業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的進(jìn)程中起到了重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕