基于CC2530的變電站設(shè)備無線測溫系統(tǒng)研究

李明， 孫晶晶， 賈清泉， 康麗娜， 董稷澤

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021;2.河北省電力公司欒城供電公司，河北 石家莊 051430; 3.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

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基于CC2530的變電站設(shè)備無線測溫系統(tǒng)研究

李明1， 孫晶晶2， 賈清泉3， 康麗娜2， 董稷澤2

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021;2.河北省電力公司欒城供電公司，河北 石家莊 051430; 3.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

隨著智能電網(wǎng)的推廣，電力系統(tǒng)對電氣設(shè)備的安全運(yùn)行提出了更高的要求，特別是智能變電站等無人值崗的區(qū)域，其安全尤為重要。為了監(jiān)測變電站內(nèi)電氣聯(lián)接薄弱點(diǎn)的溫升超標(biāo)情況，設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的無線測溫系統(tǒng)方案。方案以CC2530和MSP430F449為核心，采用DS18B20進(jìn)行精確測溫，并針對不同報(bào)警方式提出相應(yīng)算法。方案成本低、易組網(wǎng)、可靠性高，可以運(yùn)用于各種復(fù)雜的工控現(xiàn)場高效而準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度采集和無線傳輸。

溫度測量； CC2530； 無線傳輸；MSP430F449； DS18B20

0 引 言

變電站是輸電和配電的集結(jié)點(diǎn)，在輸配電過程中起著承上啟下的作用。變電站中的高壓開關(guān)柜、GIS等高壓電器和母線等電力設(shè)備在負(fù)載過大時會出現(xiàn)溫升過高，最終可能導(dǎo)致相鄰的帶電部件絕緣性能劣化，甚至擊穿[1-2]。根據(jù)電力安監(jiān)部門提供數(shù)據(jù)表明，全國電力企業(yè)每年因?yàn)殚_關(guān)設(shè)備、母線溫度過高而引發(fā)的重大事故上千起，給企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。通過對母線接點(diǎn)、高壓電纜接頭溫度的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，可有效預(yù)防變電站高壓輸、變電事故的發(fā)生，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障。因此采取措施監(jiān)測變電站高壓母線及高壓開關(guān)觸點(diǎn)溫度是電力系統(tǒng)急需攻關(guān)的重大課題。

測溫裝置從早期的貼片測溫，發(fā)展到人工紅外測溫，逐步向在線式測溫系統(tǒng)發(fā)展[4]。當(dāng)前使用較多的仍為人工紅外測溫技術(shù)和有線測溫系統(tǒng)，有線測溫系統(tǒng)由于連接線路較多，安裝地點(diǎn)復(fù)雜，聯(lián)調(diào)困難等問題，故推廣難度較大。人工紅外測溫技術(shù)雖然具有使用方便快捷、精度較高等優(yōu)勢，但是對高壓開關(guān)柜中封閉的接點(diǎn)檢測存在很大的困難，無法透過開關(guān)柜柜門進(jìn)行檢測。

為了彌補(bǔ)之前測溫方法的不足與缺陷，本文提出了一種變電站設(shè)備無線測溫系統(tǒng)。該方法主要采用數(shù)字式溫度傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)對變電站設(shè)備進(jìn)行在線式的溫度測量。此系統(tǒng)采用唯一的地址編碼，由數(shù)字式溫度傳感器DS18B20將接點(diǎn)的溫度信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換送入MSP430F449單片機(jī)，MSP430將溫度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，經(jīng)CC2530通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交?，再由基站上傳至人機(jī)模塊，人機(jī)模塊將基站上傳的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行保存，以供實(shí)時監(jiān)測、歷史查詢等功能使用。下文將對變電站設(shè)備無線測溫系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理分析進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)的硬件組成

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意圖

基于CC2530的變電站設(shè)備無線測溫系統(tǒng)主要由三部分組成[5]：(1)無線測溫終端模塊，主要功能是準(zhǔn)確測量變電站設(shè)備溫度，并上傳測溫?cái)?shù)據(jù)；(2)無線測溫基站模塊，將測溫終端模塊上傳的溫度數(shù)據(jù)存儲，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳至無線測溫人機(jī)模塊；(3)無線測溫人機(jī)模塊：接收基站模塊上傳測溫?cái)?shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲，完成在線式的溫度測量。將溫度數(shù)據(jù)在人機(jī)界面實(shí)時顯示并隨時等待遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)調(diào)用。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

1.1 無線測溫終端模塊

圖2 無線測溫模塊終端實(shí)物圖

無線測溫終端模塊主要元件由溫度傳感器DS18B20和CC2530無線芯片構(gòu)成[6]。DS18B20無需A/D轉(zhuǎn)換即可直接將被測溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供CC2530進(jìn)行處理，它的測量范圍從-55 ℃～+125 ℃，增量值為0.5 ℃。每一個DSl8B20包括一個唯一的64位長的序號，該序號值存放在DSl8B20內(nèi)部的ROM(只讀存貯器)中。CC2530F256擁有先進(jìn)的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)增強(qiáng)版8051主芯片，8 kB隨機(jī)存儲器和256 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash[7]。CC2530F256具有多種工作模式，特別適應(yīng)工作在要求超低功耗的系統(tǒng)。工作模式之間的切換時間短從而進(jìn)一步保證了低消耗。無線測溫終端的供電電源選擇神火18 650型鋰電池，其容量為8 000 mA·h，輸出電壓為3.6 V，測溫終端模塊可以連續(xù)使用三年以上，避免了頻繁更換電池的困擾。無線測溫終端模塊的實(shí)物圖如圖2所示。

1.2 無線測溫基站模塊

無線測溫基站模塊由無線收發(fā)模塊，16位超低功耗微處理器MSP430共同構(gòu)成。

MSP430F449是一款16位單片機(jī)，它的功耗小、采用了精簡指令集(RISC)，具有豐富的尋址方式[8]。為了體現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時性，上傳的數(shù)據(jù)需同時記錄測溫時間等信息，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以基站時間為準(zhǔn)，時鐘模塊選用美國DALLAS公司研發(fā)生產(chǎn)的I2C總線接口DS1307時鐘芯片。該芯片可獨(dú)立于基站CPU工作，具有計(jì)時準(zhǔn)確的特點(diǎn)，月累計(jì)誤差小于10 s。DS1307有內(nèi)置的功率檢測電路，若檢測到外部電源出現(xiàn)故障則自動切換到電池供電，保證時鐘模塊的不間斷運(yùn)行。無線測溫基站模塊的實(shí)物圖如圖3所示。

1.3 無線測溫人機(jī)模塊

無線測溫人機(jī)模塊主要包括ARM和CC2530芯片，ARM微處理器采用S3C2440A芯片，該芯片經(jīng)過工業(yè)級電磁兼容測試。S3C2440A以ARM920T為核心，采用0.13 umCMOS標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲器編譯器開發(fā)，它采用了被稱為高級微控制器總線架構(gòu)(AMBA)的新的總線架構(gòu)。無線測溫人機(jī)模塊的實(shí)物圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

無線測溫系統(tǒng)的軟件按功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個功能模塊上的軟件獨(dú)立運(yùn)行。人機(jī)模塊與基站通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊；基站通過ZigBee無線通訊管理無線測溫終端。綜合考慮無線測溫系統(tǒng)功能和硬件的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個方面：溫度采集程序、ZigBee協(xié)議程序和人機(jī)模塊軟件功能程序。

2.1 溫度采集設(shè)計(jì)

圖5 溫度采集程序流程圖

首先對CC2530進(jìn)行初始化設(shè)置，無線測溫模塊發(fā)出搜索與其相對應(yīng)測溫點(diǎn)地址的命令，測溫點(diǎn)DS18B20在與CC2530建立連接后，接收CC2530發(fā)送的讀DS18B20序列號ROM命令，最后CC2530發(fā)送讀寄存器指令，把相應(yīng)測溫點(diǎn)DS18B20寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)放入CC2530 RAM的指定地址中。溫度采集程序流程圖如圖5所示[9]。

2.2 ZigBee協(xié)議程序設(shè)計(jì)

ZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。PHY由單雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，工作頻率為2.4 GHz，它可以直接利用無線信道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。MAC提供節(jié)點(diǎn)自身和與其相鄰的節(jié)點(diǎn)間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)傳輸媒體的共享，提高通信的有效性。NWK利用MAC層可靠的數(shù)據(jù)通信，提供路由、多跳轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)星形、樹簇形或網(wǎng)格形網(wǎng)絡(luò)。

星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，對終端節(jié)點(diǎn)不是很多的系統(tǒng)來說，能夠使網(wǎng)絡(luò)簡化，功耗降低，故本方案采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器則需完成信息的轉(zhuǎn)發(fā)、發(fā)現(xiàn)鄰居、構(gòu)造到相鄰節(jié)點(diǎn)的路由等任務(wù)。協(xié)調(diào)器的任務(wù)包括建立網(wǎng)絡(luò)，為新加入的終端模塊及基站模塊分配地址等。ZigBee協(xié)議程序流程圖如圖6所示。

圖6 ZigBee協(xié)議程序流程圖

2.3 人機(jī)模塊軟件功能設(shè)計(jì)流程

圖7 人機(jī)模塊功能結(jié)構(gòu)圖

人機(jī)模塊的主要任務(wù)是接收基站上傳的測溫?cái)?shù)據(jù)信息，將其分解提取有效溫度信息進(jìn)行溫度預(yù)警計(jì)算和報(bào)警計(jì)算，而后存入指定的位置，實(shí)時更新人機(jī)界面的顯示，并可以通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)。

本系統(tǒng)人機(jī)界面部分使用C語言編程，上位機(jī)界面主要是由4.2寸觸摸式液晶屏組成，其設(shè)計(jì)應(yīng)遵循操作方便、信息直觀清楚、響應(yīng)及時、為客戶提供幫助和糾錯性等原則。

人機(jī)模塊軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)算法處理分析

在人機(jī)模塊中， 前端采集服務(wù)通過無線路由與測溫基站模塊通信已得到測溫?cái)?shù)據(jù)，并將測溫?cái)?shù)據(jù)存儲于外擴(kuò)存儲器中。系統(tǒng)測溫算法利用原始測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警判斷，并將報(bào)警信息存儲于外擴(kuò)存儲器相應(yīng)地址中。根據(jù)對無線傳感器所在的位置以及傳感器本身工作狀態(tài)的分析，本文提出以下三種報(bào)警類型。

(1) 單一測溫終端報(bào)警

對安裝于關(guān)鍵設(shè)備處和易發(fā)熱位置處的每個測溫終端進(jìn)行報(bào)警。每個測溫終端模塊根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和本身所在設(shè)備的屬性、所處環(huán)境溫度值等，都會有相應(yīng)的安全運(yùn)行臨界值。一旦實(shí)時測溫?cái)?shù)據(jù)超過該臨界值，即可以認(rèn)為該設(shè)備進(jìn)入潛在的不正常運(yùn)行狀態(tài)，需要進(jìn)行報(bào)警處理。報(bào)警分為高級、中級、低級三種，各對應(yīng)一個報(bào)警臨界值。計(jì)算時，通過對比當(dāng)前溫度與三級臨界值，判定所處報(bào)警等級。使用本報(bào)警能夠更加確切地反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。單一測溫終端報(bào)警邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖8(a)所示。

(2) 測溫終端組報(bào)警

針對同一設(shè)備的所有測溫終端進(jìn)行的報(bào)警，處于同一設(shè)備的多個測溫終端，即便沒有超過低級臨界值,但是若全部都接近低級臨界值，則該設(shè)備依然可能存在過熱現(xiàn)象。本報(bào)警方式便是針對該種情況。測溫終端組報(bào)警邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖8(b)所示。

圖8 測溫終端報(bào)警邏輯結(jié)構(gòu)圖

(3) 測溫終端自身異常報(bào)警

針對測溫終端自身的非正常行為進(jìn)行報(bào)警。測溫終端在工作中，有時因?yàn)殡姵厝萘坎粔?，或有時因?yàn)樗幁h(huán)境較為惡劣等原因?qū)е伦陨砉ぷ鳟惓?，如長期上傳亂碼或異常數(shù)據(jù)等。由于異常的測溫終端上傳異常數(shù)據(jù)會造成誤判，影響整個無線測溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以，當(dāng)某一個測溫終端出現(xiàn)異常報(bào)警時，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行報(bào)警，并在網(wǎng)絡(luò)中切除該測溫終端，及時對其進(jìn)行檢修。

4 實(shí)驗(yàn)論證

圖9 串口助手無線測溫截面

該裝置采用IAR集成開發(fā)環(huán)境完成了軟件的開發(fā)與調(diào)試，并結(jié)合測溫系統(tǒng)進(jìn)行了整體調(diào)試，形成了簡單的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過測試，測溫系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的功能，測溫精度達(dá)到±1 ℃。實(shí)驗(yàn)中通過與電腦串口相連，通過串口助手就可以看見測溫終端模塊上傳的測溫?cái)?shù)據(jù)。串口助手軟件的無線測溫界面如圖9所示。

5 結(jié)束語

該無線測溫系統(tǒng)采用低成本、低功耗的CC2530無線芯片和低功耗單片機(jī)MSP430F449為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20獲取溫度信息，具有體積小、低功耗、性能可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)。通過聯(lián)機(jī)調(diào)試表明采用精簡的協(xié)議棧組成的星型網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)良。隨著智能電網(wǎng)的不斷推廣，變電站設(shè)備無線測溫系統(tǒng)勢必在變配電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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Research of a Wireless Temperature Measurement System for Substation Equipment Based on CC2530

Li Ming1, Sun Jingjing2, Jia Qingquan3, Kang Lina2, Dong Jize2

(1. No.4 Research and Design Engineering Co., Ltd., CNNC, Shijiazhuang Hebei 050021, China;2. Luancheng Power Supply Co., Hebei Power Corporation, Shijiazhuang Hebei 051430, China;3. Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

With popularization of smart power grids, the electric power sector places even higher requirements on safe operation of electrical equipment. Safety of unmanned areas such as intelligent substation is particularly important. To monitor excessive temperature rise at weak points of electrical connection inside the substation, this paper presents the design of a CC2530-based wireless temperature-measuring scheme, which, using CC2530 and MSP430F449 as the core, adopts DS18B20 for precise temperature measurement and gives corresponding algorithms for different alarm modes. This scheme of low cost, easy networking and high reliability can be applied to a variety of complex industrial control sites for efficient, accurate temperature acquisition and wireless transmission.

temperature measurement；CC2530；wireless transmission； MSP430F449; DS18B20

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.036

TN014;TP272/278

A

1000-3886(2016)04-0116-03

李明(1988-)，男，河北石家莊人 ，助理工程師，碩士，研究方向：配電網(wǎng)故障檢測與信號處理。 孫晶晶(1986-)，女，河北張家口人 ，碩士，從事電力企業(yè)安全監(jiān)管工作。 賈清泉(1971-)，男，吉林白山人 ，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量，配電網(wǎng)故障檢測與信號處理等。

定稿日期: 2015-01-31