基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 昕，陳 堅，陳 義

（1.湖南工學院 計算機與信息科學學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南工學院 工程訓練中心，湖南 衡陽 421002）

基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 昕1，陳 堅2，陳 義2

（1.湖南工學院 計算機與信息科學學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南工學院 工程訓練中心，湖南 衡陽 421002）

文章對現(xiàn)有高壓設(shè)備溫度監(jiān)測技術(shù)進行了分析和研究，研制了基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了溫度監(jiān)測的工作原理并給出了系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)主要由下位機數(shù)據(jù)采集和上位機數(shù)據(jù)處理兩部分組成。下位機以ZigBee為控制核心，首先由ZigBee終端負責溫度數(shù)據(jù)的采集，而后通過無線發(fā)射傳輸方式，將溫度信息送到高壓控制柜上的ZigBee協(xié)調(diào)器顯示出來。上位機與協(xié)調(diào)器通過485總線通信，借助LabView可視化圖形界面，準確地報告運行中所有被測高壓設(shè)備易發(fā)熱部件的溫度升高情況，為決策層提供最直接、可靠的數(shù)據(jù)信息，消除隱患從而最大限度地減少火災(zāi)等事故。實驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω邏洪_關(guān)設(shè)備在運行過程中易發(fā)熱部位的溫度進行實時監(jiān)測，確保高壓開關(guān)設(shè)備安全、可靠地運行。

溫度監(jiān)測；ZigBee；高壓控制柜；RS485；LabView

發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜中電氣設(shè)備連接點是電力輸送最薄弱的環(huán)節(jié)，在設(shè)備長期運行過程中，開關(guān)柜中的斷路器與開關(guān)柜之間的連接插頭等部位會因制造、運輸、安裝不良及老化引起接觸電阻過大而發(fā)熱，隨著負荷的增大，導(dǎo)致連接點發(fā)熱并形成惡性循環(huán)：溫度升高、膨脹、收縮、氧化，電阻增大、再度升溫。如果這些發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測，得不到及時檢修，最終可能會導(dǎo)致燒毀開關(guān)柜的火災(zāi)事故發(fā)生。由于開關(guān)柜全封閉運行，內(nèi)部空間狹小、走線較多并且具有裸露高壓，無法進行人工巡查測溫，因此溫度在線監(jiān)測成為人工干預(yù)保證高壓開關(guān)柜安全運行的重要手段。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)計由下位機數(shù)據(jù)采集和上位機數(shù)據(jù)處理兩個主要部分組成，下位機以ZigBee[1]為控制核心，ZigBee終端負責溫度數(shù)據(jù)的采集，而后通過無線發(fā)射傳輸方式，將溫度信息傳送到機柜上的ZigBee協(xié)調(diào)器顯示。上位機與協(xié)調(diào)器通過485總線通信，借助LabView可視化圖形界面，準確地報告運行中所有被測高壓設(shè)備易發(fā)熱部件的溫度升高情況，為決策層提供最直接可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，消除隱患、最大限度地減少事故。同時，借助LabView的Web發(fā)布工具，可以對系統(tǒng)進行遠程在線監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 CC2530無線傳輸電路

根據(jù)系統(tǒng)需要，該設(shè)計分為ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器兩大模塊電路，其中，6個ZigBee終端模塊相互獨立，每個ZigBee終端由CC2530無線傳輸電路和DS18B20傳感器電路等組成；ZigBee協(xié)調(diào)器主要是對ZigBee終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行顯示并傳送給上位機，主要由CC2530無線傳輸電路、MAX485通信[2]電路、LCD12864液晶顯示電路等組成。該部分電路設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 CC2530無線傳輸電路

2.2 無線溫度傳感器

無線溫度傳感器由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和CC2530及外圍電路組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線溫度傳感器結(jié)構(gòu)

對于環(huán)境溫度的檢測，該設(shè)計選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器與單片機通信采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式[3]，在該電路設(shè)計中，采用CC2530的P0_6口作為數(shù)據(jù)讀取口線，并給DS18B20提供3.3 V電源電壓，當溫度傳感器檢測到溫度信息后，其信息會立即通過P0_6接口傳送給CC2530芯片作進一步處理，通過軟件算法得出實際溫度值。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

2.3 無線智能接收機

無線測溫智能接收機由CC2530單片機、LCD12864液晶顯示、電源和通信芯片接口組成，該設(shè)備可及時將檢測器采集的溫度信息進行顯示、處理，之后通過RS-485接口發(fā)送給上位計算機，接口可以支持128個無線測溫智能接收機聯(lián)網(wǎng)運行，系統(tǒng)可及時得到各被測點的即時溫度信息。無線測溫智能接收機原理框圖如圖5所示。

圖5 無線測溫智能接收機原理

RS-485采用差分信號進行傳輸，最大傳輸距離可達到1.2km，最大可連接32個驅(qū)動器和收發(fā)器。該設(shè)計選擇MAX485為串口通信主控芯片，其中，CC2530的標準串行口P0_2通過RX直接連接MAX485芯片的RO引腳，P0_3通過TX直接連接芯片的DI引腳。由CC2530的P1_3口輸出R/D信號直接控制MAX485芯片的收/發(fā)使能，當R/D信號為“1”，則MAX485芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時CC2530可以向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；反之，則接收數(shù)據(jù)。電阻R7能減少線路中傳輸信號的反射[4]。電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 MAX485電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由系統(tǒng)下位機程序和上位機程序組成。下位機以ZigBee系列CC2530單片機為控制核心，負責對環(huán)境溫度的采集和顯示，軟件實現(xiàn)部分主要由ZigBee無線通信協(xié)議棧程序、溫度監(jiān)控程序、串口通信程序等組成。上位機則采用LabView圖形化設(shè)計語言實現(xiàn)人機交互界面設(shè)計[5]，由串口通信程序、數(shù)據(jù)處理和顯示程序等組成。

3.1 下位機ZigBee軟件設(shè)計

3.1.1 Zigbee協(xié)議棧流程

協(xié)議是一系列的通信標準，通信雙方需要共同按照這一標準進行正常的數(shù)據(jù)發(fā)射和接收。ZigBee協(xié)議棧就是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供API（應(yīng)用層），用戶可以直接調(diào)用。在開發(fā)一個應(yīng)用時，協(xié)議較底下的層與應(yīng)用是相互獨立的，因此只要在應(yīng)用層進行相應(yīng)的改動，就可以實現(xiàn)組網(wǎng)，達成溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。協(xié)議棧流程如圖7所示。

圖7 協(xié)議棧流程

3.1.2 DS18B20程序流程

溫度傳感器DS18B20遵循嚴格的單總線協(xié)議，以確保通信數(shù)據(jù)的準確性，CC2530通過時序來寫入和讀出DS18B20中的數(shù)據(jù)，傳感器復(fù)位后，接收應(yīng)答信號，跳過讀ROM中序列號后，啟動溫度轉(zhuǎn)換，等待溫度轉(zhuǎn)換完畢后，保存溫度數(shù)據(jù)。其流程如圖8所示。

圖8 溫度測量流程

3.2 上位機LabView軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機和下位機之間數(shù)據(jù)通信采用的是串口通信，硬件采用RS485轉(zhuǎn)USB接口。首先安裝RS485轉(zhuǎn)USB驅(qū)動，然后配置VISA相關(guān)函數(shù)，就可以實現(xiàn)上位機和下位機的雙向?qū)崟r通信。

上位機和下位機通信采用十六進制數(shù)據(jù)傳輸，由于上位機從串口讀取的為數(shù)據(jù)幀格式，即先截取字符串，然后索引數(shù)組，提取有效數(shù)據(jù)，再創(chuàng)建顯示控件，則可正常顯示當前溫度值。與此同時，將提取的實際溫度值與設(shè)置的閥值進行大小比較，比較結(jié)果送LED顯示，在在Labview中以顏色區(qū)分是否超過設(shè)定的溫度閾值。值得注意的是在利用LabView編寫測量應(yīng)用程序時，對于大量數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)之間存在復(fù)雜關(guān)系時，往往需要通過數(shù)據(jù)庫來存儲、管理和查詢數(shù)據(jù)，LabView本身并不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，但提供了一個數(shù)據(jù)庫訪問工具—LabSQL，它完全就是由許多VI組成的包，像調(diào)用普通VI一樣調(diào)用其中的VI。

4 測試結(jié)果

無線測溫傳感器和無線智能接收機調(diào)試后，將無線溫度傳感器以傳統(tǒng)的接觸方式安裝緊貼在控制柜內(nèi)部易發(fā)熱的測溫點上，智能接收機安裝在控制柜面板上，系統(tǒng)上電后，智能接收機的液晶顯示結(jié)果如圖9所示，上位機Labview人機交互界面顯示結(jié)果如圖10所示。

圖9 無線測溫智能接收機液晶顯示

圖10 上位機顯示結(jié)果

5 結(jié)語

基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用CC2530作為主控芯片，硬件結(jié)構(gòu)簡單，體積小、低功耗、易實現(xiàn)。所構(gòu)成的無線傳感具有自組網(wǎng)的特點，無線測溫方式解決了高壓控制柜內(nèi)設(shè)備的高低壓隔離問題，RS485總線通信方式方便系統(tǒng)擴展，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了對高壓控制柜內(nèi)設(shè)備易發(fā)熱部位的溫度進行實時監(jiān)測的目的，經(jīng)試驗，該調(diào)試系統(tǒng)可以正常運行。

[1]翁靜蘭.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2009.

[2]盧嫚.基于RS-485總線的溫室多點監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學，2013.

[3]張曉宇.單總線數(shù)據(jù)傳輸方案研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[4]彭元杰，何怡剛，郭杰榮，等.傳輸線中信號反射的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（21）：179-181，184.

[5]劉旭.LabView圖形化環(huán)境下虛擬溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].重慶職業(yè)技術(shù)學院學報，2007（3）：142-145.

Design of high-voltage control cabinet temperature monitoring system based on ZigBee

Li Xin1, Chen Jian2, Chen Yi2
（1.Computer and Information Science School of Hunan Institute of Technology, Henyang 421002, China;
2.Electronics and Information Engineering School of Hunan Institute of Technology, Henyang 421002, China）

Based on the analysis and research of the existing high-voltage equipment temperature monitoring technology, high-voltage control cabinet temperature monitoring system based on technology ZigBee is developed in this paper. And the principle of monitoring the temperature is introduced and the system design is put forward. The system is composed of the data acquisition of lower machine and computer data processing of upper computer. Firstly, the ZigBee terminal which is the controlling core of the lower position machine is responsible for temperature data acquisition. Then, by way of wireless transmission, the temperature information will be sent to the cabinet on the ZigBee coordinator. The upper computer communicates with the coordinator through 485 bus. With the help of LabView graphical user interface, the system will accurately report all parts of measured temperature of high voltage equipment, providing the most direct and reliable data for decision-making and eliminating hidden dangers to reduce the number of fire accidents. Experiments show that the system can monitor the temperature of the high voltage switch equipment to ensure the safe and reliable operation of the high-voltage switch equipment.

temperature monitoring; ZigBee; high pressure control cabinet; RS485; LabView

湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗項目；項目編號：H1509。湖南省教育廳科研項目；項目編號：13C210。湖南工學院大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗項目；項目編號：H1427。湖南工學院大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗項目；項目編號：H1450。

李昕（1979— ），女，湖南常寧，碩士，講師；研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。