基于Zigbee的電纜頭溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)

摘 要：結(jié)合電力電纜接頭易發(fā)熱而引發(fā)的故障問題，構(gòu)建了一套基于Zigbee無線通信技術(shù)的電纜頭溫度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對電纜頭無線測溫與遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，借助于Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，對各處溫度加以收集，并傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺，一旦電纜頭溫度異常，將會提前加以預(yù)警，避免故障擴大，提升了系統(tǒng)運行過程的安全性、可靠性。

關(guān)鍵詞：Zigbee；電纜頭；溫度檢測系統(tǒng)

就供電系統(tǒng)而言，電力電纜供電的應(yīng)用越來越廣泛，與此同時，故障檢修率也呈逐年上升的趨勢。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，電力電纜頭所引發(fā)的事故約占電纜事故的60%以上。在電力電纜輸電電網(wǎng)之中，平均每300m處就有一處電纜頭，因此，構(gòu)建電纜頭溫度檢測系統(tǒng)，對于及時掌握電纜頭故障情況，避免火災(zāi)事故發(fā)生和擴大具有十分重要的意義。

1 Zigbee無線通信技術(shù)概述

作為一種短距離、復雜度低、成本低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Zigbee是一組以IEEE802.15.4無線標準為基礎(chǔ)所研發(fā)的組網(wǎng)、安全、應(yīng)用軟件等相關(guān)通信技術(shù)。該技術(shù)提供星形網(wǎng)、對等網(wǎng)、混合網(wǎng)等三大類網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，且各網(wǎng)絡(luò)均有其獨特的優(yōu)勢。作為一種以主器件為網(wǎng)絡(luò)中心的拓撲結(jié)構(gòu)，星形網(wǎng)提供全網(wǎng)協(xié)調(diào)工作，其他主器件、從器件均分布在覆蓋范圍之內(nèi)。對于此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而言，實現(xiàn)控制、同步均十分輕松，多用于設(shè)備量不多的場合。就對等網(wǎng)而言，其主要包括點對點、簇樹形兩大類，主要由主器件相連而成，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性更高。星形網(wǎng)、對等網(wǎng)二者可組合，形成混合網(wǎng)，不同子網(wǎng)內(nèi)部采用星形實現(xiàn)連接，主器件則采用對等方式實現(xiàn)連接?；旌暇W(wǎng)多用于對網(wǎng)絡(luò)要求較為復雜的情況下，通常在應(yīng)用環(huán)境中具有更強的實用性。

就Zigbee網(wǎng)絡(luò)而言，其具有全功能、精簡功能設(shè)備——FFD、RFD。對于FFD而言，其提供各種標準定義下的各種功能、特性，而對于RFD而言，其不僅功能簡潔，而且對于存儲器容量的要求很少。FFD可實現(xiàn)與FFD、RFD的通信，但是，RFD只能與FFD通信，RFD間的通信只能借助于FFD加以轉(zhuǎn)發(fā)，而FFD除了能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，還可接收數(shù)據(jù)，具有類似于路由器的功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，其主要由監(jiān)測區(qū)域中所遍布的龐大微型傳感器節(jié)點所構(gòu)成，借助于Zigbee無線通信方式，形成了自組織、多跳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)被檢測對象信息加以采集、分析、處理，并將其發(fā)送至協(xié)調(diào)器上。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括傳感器、被監(jiān)測電纜頭、協(xié)調(diào)器三部分。在每條輸電線路上存在多個電纜頭，因此，一公里內(nèi)需要設(shè)置5個節(jié)點。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，主要采用的是分布式測量系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)則由無線傳感節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、監(jiān)控主站三大部分構(gòu)成。其中，無線傳感節(jié)點散布在所需監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)，主要負責溫度數(shù)據(jù)的采集、處理，并借助于無線信號進行傳送；采集終端進行數(shù)據(jù)接收，并將其打包利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控主站；對于監(jiān)控主站而言，主要負責數(shù)據(jù)的解包、分析、儲存，再利用PC軟件，就各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)加以查閱、調(diào)閱、打印，對于超出警戒線的節(jié)點，能夠及時報警。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括傳感終端節(jié)點、采集終端、能量供應(yīng)模塊的設(shè)計三大部分。

3.1 傳感終端節(jié)點的設(shè)計

本系統(tǒng)中，傳感終端節(jié)點主要利用鋰電池進行供電，主要安裝于強電磁干擾條件下，由于其可靠性高、體積較小、功耗較低，因而屬于硬件設(shè)計的核心，所采用芯片必須具有較高的集成度，較低的功耗，較小的體積，主要包括溫度采集、單片機、供電模塊三大部分。

在選擇溫度傳感器時，本文所采用的是智能單線數(shù)字化溫度傳感器——ESM6000-ZS，測溫范圍在-55-125度，雖然只有三根引腳，但是具有較小的體積、簡單的結(jié)構(gòu)與較強的抗干擾力。借助于單總線技術(shù)極大地節(jié)約了接口資源，只需要一根口線就實現(xiàn)了信息讀寫，便于進行編程，不需要采用額外A/D轉(zhuǎn)換芯片。在選擇單片機模塊時，本文采用的是CC2530單片機，其不僅具有較寬的電壓范圍，而且具有四種工作方式，功耗低、電池壽命長、便于野外使用。

3.2 采集終端的設(shè)計

對于采集終端而言，其主要負責對各測量節(jié)點溫度數(shù)據(jù)加以采集、分析、處理，再統(tǒng)一進行打包，借助于GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控主站。對于采集終端而言，要求必須具有較高的性能與存儲空間，以及豐富的接口。由于其需長時間處在運行狀態(tài)，因而借助于高壓線路感應(yīng)取電、鋰電池相結(jié)合的供電方式，保障系統(tǒng)供電過程的穩(wěn)定性、連續(xù)性。就微控制器而言，主要采用的是STC12C5A60S2單片機，而GPRS模塊所采用的是TC35i模塊，CC2530與GPRS模塊之間利用UART實現(xiàn)連接。

3.3 能量供應(yīng)模塊的設(shè)計

該部分主要采用的是電磁感應(yīng)供能發(fā)方法，包括取能線圈、濾波、沖擊保護、超級電容等部分構(gòu)成，沖擊保護利用1個TVS，利用橋式整流，Π型LC濾波，超級電容1進行能量儲存，電容2提供負載供電。若濾波后電壓超出設(shè)置電壓范圍值時，過壓保護電路負責將多余電壓送至鋰電池中加以充電，若互感器輸出功率不足，則鋰電池負責供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集周期，就檢測電纜頭進行實時檢測。系統(tǒng)軟件負責終端設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示、存儲。

對于采集終端、傳感器節(jié)點而言，其軟件主要在SUPER2000下，基于IEC104協(xié)議進行開發(fā)，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲協(xié)議棧，其主要包括硬件抽象層、系統(tǒng)抽象層、ZigBee協(xié)議層組成，各層以任務(wù)事件方式集成。SUPER2000為用戶提供了便于操作的操作系統(tǒng)平臺，各應(yīng)用均以此為基礎(chǔ)，完成各項任務(wù)。各設(shè)備均有64位MAC地址，為便于應(yīng)用，采用16位短地址進行自身標識，用以識別對方。就采集終端而言，短地址：0x0000，其由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器加以分配。

該系統(tǒng)的應(yīng)用便于有關(guān)人員及時掌握電纜頭實時溫度，及時掌握報警信息，找出故障點，便于進一步處理，為火災(zāi)預(yù)防提供了有力的依據(jù)。

參考文獻

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