基于ZigBee和CAN總線的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳凱彬 耿新 郭營生 張寧 陳森

摘 要：高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備長期運(yùn)行使線路老化，電阻增大，從而使高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度升高，容易造成火災(zāi)發(fā)生，同時(shí)由于高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備布局較為密集，為了便于測量，本文提出了一種通過ZigBee和CAN總線進(jìn)行信號傳遞的溫度在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。開關(guān)柜內(nèi)的溫度傳感器將采集到的溫度信號首先通過無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee傳送到分站，經(jīng)過分站處理后的信號在通過CAN總線傳送到上位機(jī)中，上位機(jī)對接收的溫度信號進(jìn)行處理，如果接收到的溫度信號不在正常的設(shè)定值范圍，就會(huì)發(fā)生預(yù)警。試驗(yàn)顯示本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)信號采集靈敏，有較高的傳輸速度，能在長時(shí)間運(yùn)行的同時(shí)保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;ZigBee網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測

高壓開關(guān)柜用于在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸配電、電能轉(zhuǎn)換中起開關(guān)、控制以及保護(hù)作用。高壓開關(guān)柜的組成主要包括斷路器和柜體兩個(gè)部分。高壓開關(guān)柜按照柜體結(jié)構(gòu)通常可以分為間隔式開關(guān)柜、敞開式開關(guān)柜以及金屬封閉箱式開關(guān)柜等常用的幾種類型。高壓開關(guān)柜內(nèi)空間有限，但是電氣設(shè)備的種類和數(shù)量較多，內(nèi)部布局較為緊湊，因此在通常情況下很難進(jìn)行開關(guān)柜內(nèi)的人工實(shí)時(shí)測溫，對于開關(guān)柜內(nèi)的溫度不能實(shí)時(shí)掌握，同時(shí)由于人工手動(dòng)進(jìn)行開關(guān)柜內(nèi)的測溫，也帶來了一定的安全問題。

目前高壓開關(guān)柜內(nèi)部的溫度檢測主要有紅外成像技術(shù)、紅外信號接觸式測溫技術(shù)以及光纖測溫技術(shù)等幾種較為常用的高壓開關(guān)柜溫度檢測方式。陳新崗等人提出了一種基于聲表面波和ZigBee的高壓開關(guān)柜電纜室溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該方法利用熱傳導(dǎo)以及固體力學(xué)理論等相關(guān)知識獲得溫度分布情況，利用聲表面溫度傳感器采集溫度信息，用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。劉罡設(shè)計(jì)了一種基于Modbus總線的高壓開關(guān)柜多狀態(tài)量在線檢測系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和傳感器的信息通信功能。這些技術(shù)都在一定程度上改善了目前的高壓開關(guān)柜溫度檢測現(xiàn)狀，但是還不夠完善。由于高壓開關(guān)內(nèi)設(shè)備較多，因此單一的溫度監(jiān)測技術(shù)不能對高壓開關(guān)柜內(nèi)的所有設(shè)備的周邊溫度進(jìn)行測量，為了能夠?qū)崿F(xiàn)多部件周邊溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，同時(shí)為了降低開關(guān)柜內(nèi)的線路布局困難，本文提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線的溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是一種適用于短距離的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大和延時(shí)短，數(shù)據(jù)傳輸安全等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文利用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)檢測到的溫度信號的傳遞，由于采用無線傳輸技術(shù)，因此相關(guān)的溫度傳感器能夠較大程度的根據(jù)溫度監(jiān)測需求來在不同位置實(shí)行安裝，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)溫度的多點(diǎn)測量。

1 溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要有傳感器，無線溫度監(jiān)測儀和上位機(jī)組成。文中采用目前應(yīng)用廣泛的DS18B20傳感器來進(jìn)行高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度采集，將采集到的溫度信號傳送到CC2480中，再通過CC2480將信號經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綔囟缺O(jiān)測儀，溫度監(jiān)測儀將接收到的信號通過CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，上位機(jī)對溫度信號進(jìn)行分析和處理，如果檢測到的溫度值高于設(shè)定的最大溫度值，那么預(yù)警裝置啟動(dòng)。相關(guān)工作人員在聽到預(yù)警信號后對設(shè)備進(jìn)行檢查，從而及時(shí)的處理相關(guān)問題，避免帶來生命財(cái)產(chǎn)損失。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

溫度傳感器是主要實(shí)現(xiàn)將溫度信號轉(zhuǎn)換成可用于輸出信號的傳感器，溫度傳感器的種類繁多，按照測量方式的不同可以將溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩種類型。本文在綜合考慮了高壓開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用成本，傳感器性能等多方面因素后選擇使用DS18B20傳感器來進(jìn)行開關(guān)柜內(nèi)溫度的檢測。DB18B20傳感器具有體積較小，抗干擾能力較強(qiáng)，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用獨(dú)特的單線接口模式，測量范圍能達(dá)到-55℃到+125℃，工作電源在3.0到5.5V/DC，適合在高壓開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行溫度檢測。

2.2 信號采集模塊

本文設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集主要選擇DS18B20溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。其溫度采集模塊主要包含溫度傳感器，供電電路和控制電路等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和上位機(jī)、下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它主要有三種網(wǎng)絡(luò)模型，包括樹型、網(wǎng)型和星型。其中網(wǎng)型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而星型結(jié)構(gòu)最為簡單。ZigBee有三種設(shè)備類型，包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee的協(xié)議棧有四層組成，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和MAC層。協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，是上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行通信的橋梁，協(xié)調(diào)器包括電源模塊，仿真借口，CC2480模塊以及串口通信模塊等。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，初始化之后就會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的搜索，在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后就會(huì)發(fā)送入網(wǎng)請求，等到允許加入后就會(huì)完成入網(wǎng)工作，入網(wǎng)完成，對其他的節(jié)點(diǎn)的加入和數(shù)據(jù)傳輸申請進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要用來向操作人員提供一個(gè)良好的可視化界面，目前主要的開發(fā)軟件包括LabVIEW以及組態(tài)王等常用軟件，本文選擇使用功能強(qiáng)大，性能完備的組態(tài)王軟件來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控主畫面設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)報(bào)表以及預(yù)警記錄等。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee和CAN總線的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對高壓開關(guān)柜內(nèi)相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)的溫度監(jiān)測，若溫度出現(xiàn)異常，預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)，工作人員在收到預(yù)警信息后可以快速到達(dá)地點(diǎn)，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查，消除異常情況。結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)溫度監(jiān)測精度高，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)：

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