基于Zigbee的變電站內(nèi)電纜溝溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

操文祥 吳曉春 檀美慧

摘 要：利用ZigBee及NB-IOT通信技術(shù)，對(duì)變電站內(nèi)電力電纜進(jìn)行溫度、濕度采集，并實(shí)時(shí)上報(bào)到后臺(tái)管理平臺(tái)，通過移動(dòng)終端或PC終端遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保電力電纜穩(wěn)定可靠運(yùn)行，避免火災(zāi)、短路等事故發(fā)生，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；溫濕度傳感器；NB-IOT；電纜溝；

Abstract：By using ZigBee and NB-IOT communication technology， the system collects the temperature and humidity of the power cable in the substation， and reports back to the backstage management platform in real time， through the remote monitoring of the mobile terminal or PC terminal to ensure the stable and reliable operation of the power cable. The system could avoid the accidents of fire and short circuit， and it has certain popularization value.

Key words：ZigBee； Temperature and humidity sensor； NB-IOT； Cable trench

一、引言

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱，是維持工業(yè)、經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)行的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的根本保證，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定關(guān)系到國計(jì)民生。電力電纜是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，長期運(yùn)行在高電壓、大電流環(huán)境下，有可能出現(xiàn)絕緣老化、環(huán)境潮濕導(dǎo)致短路等問題，如不及時(shí)采取措施就可能造成事故。目前變電站內(nèi)電力電纜大多鋪設(shè)在電纜溝內(nèi)，巡視時(shí)需要逐一掀開笨重不透明的水泥預(yù)制板，效率低下，巡視質(zhì)量不高。通過本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在電纜溝內(nèi)或電纜線上安裝Zigbee監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過具有NB-IOT通信的智能控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)管理平臺(tái)，管理員可以通過移動(dòng)終端或PC端，本地或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀況，有效避免事故產(chǎn)生，減少損失，直接和間接的提升經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

二、系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要由智能控制網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要采集電纜溝內(nèi)的溫濕度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂凭W(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。智能控制網(wǎng)關(guān)是控制系統(tǒng)的核心硬件，通過它實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠(yuǎn)程控制等功能。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、Zigbee模塊、燈光輸出模塊組成，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊采用瑞士Sensirion公司推出的SHT11傳感器，它基于CMOSensTM 技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)，同時(shí)具有IIC總線接口，方便與通用處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

Zigbee模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，選擇美國TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。它是2.4GHz的片上系統(tǒng)，遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CC2530內(nèi)部有8051微控制器、內(nèi)存、外設(shè)、時(shí)鐘、電源管理及RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。它通過IIC總線讀取SHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。為了使系統(tǒng)工作時(shí)間持續(xù)長，節(jié)點(diǎn)采用間歇式工作方式，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。

2、網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能控制網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)和外部NB-IOT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要由ARM Cortex-M3處理器控制器模塊、ZigBee控制模塊、NB-IOT網(wǎng)絡(luò)模塊通信、通用輸入輸出口及復(fù)位JTAG調(diào)試接口構(gòu)成，智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)的主控制器采用ST公司的STM32L151芯片。該處理器內(nèi)部集成了FLASH及RAM，中斷控制器，DMA控制器，時(shí)鐘和電源管理，同時(shí)內(nèi)部具有高速USB、IIC、LCD、串口等豐富接口資源，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）的縮寫，是一個(gè)新興的技術(shù)。它構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只需消耗約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。本系統(tǒng)采用上海移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的BC26 NB-IOT模塊，它基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)研發(fā)。支持全球頻段，超小體積僅為17.7x15.8x2.0mm，低供電電壓及豐富的外部接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

四、軟件實(shí)現(xiàn)

1、軟件開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提供系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在?；谕ㄓ眯约氨阌陂_發(fā)的考慮，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用IARSystems公司的IAR Embeded Workbench集成開發(fā)平臺(tái)。它是一個(gè)完全集成的開發(fā)環(huán)境，包括C/C++編譯器、工程管理器、編輯器、構(gòu)建工具以及通用的C-SPY調(diào)試器。它在編譯過程中對(duì)代碼和速度進(jìn)行高度優(yōu)化。更高效率地采用了堆棧，靜態(tài)和全局變量?？梢园讶魏螖?shù)據(jù)定義在EEPROM范圍之內(nèi)，并對(duì)大容量的FLASH進(jìn)行隨機(jī)讀取。這套工具提供了相似且直觀的用戶界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具之一。

2、傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：一是ZigBee網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)之間通信，二是進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集。圖4為傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖。其工作流程為：節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行信道掃描，如果接收到信標(biāo)幀，則證明當(dāng)前區(qū)域內(nèi)存在ZigBee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，便發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，入網(wǎng)成功后，傳感器節(jié)點(diǎn)按間歇式工作進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。

3、智能控制網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

智能控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)和內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保網(wǎng)絡(luò)間正常通信。采集節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控的信息進(jìn)行打包處理，包括地址信息與檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，以ZigBee幀的方式無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)數(shù)據(jù)是否異常進(jìn)行判斷，再以NB-IOT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行打包處理發(fā)送。圖5為智能控制網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

五、結(jié)論

本文提出的基于ZigBee的電纜溝溫濕度采集系統(tǒng)，采用ARM硬件平臺(tái)，將Zigbee與NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝內(nèi)的電力電纜進(jìn)行溫度、濕度的測(cè)量，并通過移動(dòng)終端或PC端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜及溝內(nèi)環(huán)境狀況。通過實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)用這種解決方案，有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)智能電網(wǎng)的“信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”發(fā)展和建設(shè)有重要的推廣意義和巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。

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