基于ZigBee的高壓開關(guān)柜溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原小永 解應(yīng)博

摘要：高壓開關(guān)柜內(nèi)器件老化或所選器件的電阻過大，容易使設(shè)備運(yùn)行時(shí)開關(guān)柜內(nèi)溫度過高。為了避免由于柜內(nèi)溫度太高而導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生，提出了一種通過ZigBee和RS485總線進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。傳感器將采集到的溫度信號(hào)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至分站，分站對(duì)接收的溫度信號(hào)進(jìn)行處理后，通過RS485總線將信號(hào)傳輸?shù)街髡尽Ｖ髡静捎霉た貦C(jī)對(duì)各個(gè)分站傳送來的溫度信號(hào)進(jìn)行分析和處理，發(fā)現(xiàn)溫度異常后立即報(bào)警。結(jié)果表明，該系統(tǒng)溫度檢測(cè)靈敏，信息傳輸速率高，抗干擾性強(qiáng)，運(yùn)行安全可靠。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；ZigBee；溫度檢測(cè)；溫度報(bào)警

DOIDOI：10.11907/rjdk.171598

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16727800（2017）010011503

0引言

社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步促使電器產(chǎn)品的應(yīng)用越來越普及，電氣火災(zāi)也隨之增多。在近幾年來的火災(zāi)事件中，電氣火災(zāi)占比達(dá)到30%左右，該類型火災(zāi)已經(jīng)成為現(xiàn)今社會(huì)火災(zāi)事件的重要來源之一。因此，如何進(jìn)行電氣火災(zāi)的有效預(yù)防，成為最近幾年火災(zāi)預(yù)防工作的重中之重。開關(guān)柜是變電站和發(fā)電廠等相關(guān)企業(yè)中決定電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備[1]，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起到重要作用[2]。設(shè)備在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)不間斷的運(yùn)行后，高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度會(huì)逐漸升高，最后會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)的相關(guān)線路受到一定程度損壞，使一些在日常系統(tǒng)的運(yùn)行過程中能夠起到保護(hù)內(nèi)部電路作用的絕緣材料快速老化[3]。高壓柜內(nèi)的設(shè)備觸點(diǎn)以及其它元件因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)行逐漸老化，有的元器件電阻過于龐大，又會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱量增加，進(jìn)而產(chǎn)生惡性循環(huán)。并且在設(shè)備運(yùn)行過程中，開關(guān)柜處于常規(guī)封閉狀態(tài)，這從一定程度上增加了柜內(nèi)相關(guān)設(shè)備發(fā)熱部位的溫度檢測(cè)難度[4]，無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警，最終因?yàn)殚_關(guān)柜內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。因此，解決開關(guān)柜內(nèi)溫度過高的問題，對(duì)于減少電氣類火災(zāi)事故的發(fā)生具有重要意義。

在電力系統(tǒng)的實(shí)際工作過程中，高壓開關(guān)設(shè)備數(shù)量較多，設(shè)備的檢修任務(wù)艱巨并且維修費(fèi)用很高。通常情況下開關(guān)柜內(nèi)部空間較小，布線相對(duì)密集，無法完成開關(guān)柜內(nèi)部的人工測(cè)溫，不能及時(shí)掌握相關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)處的溫度情況，于是對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部溫度的及時(shí)檢測(cè)報(bào)警能對(duì)高壓開關(guān)柜的安全運(yùn)行提供很大保障。目前高壓開關(guān)柜內(nèi)部測(cè)溫主要有紅外成像以及光纖測(cè)溫等幾種常用的測(cè)溫方式，楊奕等[5]利用紅外通信技術(shù)提出一種高壓開關(guān)柜的檢測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警；李玉柱等[6]根據(jù)紅外傳感器的相關(guān)工作原理，對(duì)高壓柜的開關(guān)觸頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)；孫澄宇[7]詳細(xì)比較了常規(guī)的溫度檢測(cè)技術(shù)之后，提出了一種利用光纖傳感器對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)的方法。這些技術(shù)雖然極大地改善了依靠工作人員對(duì)柜內(nèi)溫度進(jìn)行檢查的缺陷，但還是不夠成熟和完善?，F(xiàn)在使用的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用固定式測(cè)溫，不能隨意布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)與調(diào)整監(jiān)測(cè)部位。由于高壓開關(guān)柜需要監(jiān)測(cè)的溫度點(diǎn)數(shù)眾多，一旦因?yàn)闇囟缺O(jiān)測(cè)不到位發(fā)生火災(zāi)事故，將會(huì)造成巨大損失。為了解決該問題，需要對(duì)發(fā)熱部位的溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行集中管理。因此，提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的高壓開關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，用來提高相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性[8]。

ZigBee技術(shù)最近幾年在信息通訊中使用較多，主要用于較短距離的信息傳輸，無線信號(hào)在短距離內(nèi)有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在高壓環(huán)境下保持很好的信號(hào)傳輸性能[9]。采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸也能解決開關(guān)柜內(nèi)布線困難的問題，且方便安裝[10]。本文利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，該溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可全面采集高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度，溫度傳感器也可以方便地安裝在需要進(jìn)行溫度采集的部位。溫度傳感器將檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)過相關(guān)的分析處理后，能夠自動(dòng)將信息傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，而不需要人工干預(yù)。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行溫度的檢測(cè)和報(bào)警，可以確保高壓開關(guān)柜內(nèi)相關(guān)器件的長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有效避免火災(zāi)發(fā)生。

1高壓開關(guān)柜溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警中心（上位機(jī)）、溫度監(jiān)測(cè)儀（分站）以及高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度采集模塊（傳感器）3部分組成。其中無線溫度監(jiān)測(cè)儀以及溫度采集模塊使用CC2480單片機(jī)作為控制器芯片。檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)使用DS18B20進(jìn)行柜內(nèi)溫度的采集并將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送給CC2480芯片，再由CC2480芯片通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)傳送給分站。分站通過RS485總線和主站連接到一起。主站對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行分析處理，若溫度值高于安全值則啟動(dòng)報(bào)警，避免帶來經(jīng)濟(jì)損失。溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1傳感器選型

目前溫度傳感器種類繁多，在綜合考慮溫度傳感器的防水性、功耗、工作性能等主要因素之后，選擇DS18B20進(jìn)行柜內(nèi)溫度的檢測(cè)。該型號(hào)溫度傳感器測(cè)溫范圍大，通常能夠達(dá)到-55℃～+125℃，測(cè)溫精度能夠達(dá)到±0.5℃，且具有多點(diǎn)組網(wǎng)特性、一線接口通訊能力，擁有寄生供電電源和外部電源供電兩種供電模式供用戶選擇，其數(shù)字化傳輸方式極大地提高了抗干擾能力。

2.2溫度檢測(cè)電路模塊

開關(guān)柜無線溫度采集模塊主要由DS18B20溫度傳感器、測(cè)量電路、CC2480控制電路、無線調(diào)制接口以及供電電源電路等若干電路組成。溫度檢測(cè)電路如圖2所示。

溫度傳感器將采集到的開關(guān)柜內(nèi)溫度值經(jīng)過處理后變成相應(yīng)的數(shù)字量，傳輸?shù)紺C2480芯片內(nèi)部，信號(hào)在CC2480芯片內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)分析處理，然后采用射頻調(diào)制方式，通過無線收發(fā)器電路將處理過的信號(hào)發(fā)送到分站。

2.3CC2480模塊

CC2480芯片采集并處理溫度傳感器所得的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至無線溫度監(jiān)測(cè)儀。CC2480芯片內(nèi)部集成了ZigBee射頻前端、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片無線性能出色，正常運(yùn)行時(shí)功耗很低，采用CMOS工藝，芯片的工作電流只有27mA，共有I/O端口線、電源線和控制線引腳共48個(gè)，模塊電路如圖3所示。endprint

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

開關(guān)柜內(nèi)溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件主要由ZigBee通信軟件、下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件組成，具體軟件設(shè)計(jì)方法如下：

3.1ZigBee 通信軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境是IAR7，該溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為TI 提供的ZigBee2006 協(xié)議棧ZStack，溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中主節(jié)點(diǎn)被初始化為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)相關(guān)通訊網(wǎng)的建設(shè)。相關(guān)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊之前，協(xié)調(diào)器要完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的連接，包含了所有網(wǎng)絡(luò)信息。圖4是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)程序流程。

3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要完成高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，以及與上位機(jī)的信息傳輸?shù)龋ǔ绦虺跏蓟?、檢測(cè)程序設(shè)計(jì)和串行通訊程序等。程序初始化主要是完成波特率設(shè)置，同時(shí)完成中斷處理操作和定時(shí)器的初始化，程序中采用的中斷方式是外部中斷方式。串行通訊主要是當(dāng)檢測(cè)到溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)后申請(qǐng)中斷，并調(diào)出串行通訊子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程如圖5所示。

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的功能主要是向工作人員提供一個(gè)良好的操作界面。目前常用的幾種開發(fā)上位機(jī)檢測(cè)控制界面的軟件包括LabVIEW、組態(tài)王、VC++等。綜合考慮后，本文選擇功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單的組態(tài)王軟件進(jìn)行溫度檢測(cè)界面的設(shè)計(jì)。上位機(jī)主要完成以下幾方面工作：①監(jiān)控主畫面：顯示要監(jiān)控的開關(guān)柜名稱、設(shè)備編號(hào)、開關(guān)柜內(nèi)實(shí)時(shí)溫度、設(shè)定溫度、狀態(tài)指示燈等。主畫面要求能夠直觀反應(yīng)出開關(guān)柜內(nèi)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的情況；②參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)入任意一個(gè)溫度報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置；③數(shù)據(jù)報(bào)表：可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)表等相關(guān)數(shù)據(jù)查詢；④報(bào)警記錄：可進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警等查詢。上位機(jī)設(shè)計(jì)界面如圖6所示。

4系統(tǒng)運(yùn)行

開關(guān)柜溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，能夠完成對(duì)開關(guān)柜內(nèi)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的檢測(cè)和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值的采集記錄、實(shí)時(shí)顯示以及報(bào)表打印等功能。如圖7所示為一天中某一時(shí)間段的開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度實(shí)時(shí)曲線顯示。從溫度曲線可以直觀清晰地看到開關(guān)柜內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)處在這一時(shí)間段內(nèi)的溫度高低。從圖中可以看到，在這一時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度處于開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的正常范圍值內(nèi)。

5結(jié)語

基于ZigBee的高壓開關(guān)柜溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)部若干個(gè)區(qū)域的檢測(cè)，可以根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)需求，不斷變換布置溫度檢測(cè)點(diǎn)位置和調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)部位。若溫度值檢測(cè)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，促使工作人員及時(shí)檢查相關(guān)部件。該溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行成本相對(duì)較低，且性價(jià)比很高，方便安裝，易于后期維護(hù)，具有一般溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)，可以較好地解決傳統(tǒng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中存在的布線困難等實(shí)際問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高壓開關(guān)柜溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)靈敏，信息傳輸速率高，傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)，能夠有效避免因?yàn)闇囟冗^高引起的電氣火災(zāi)。

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