基于ＺｉｇＢｅｅ的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：針對高壓開關(guān)柜溫濕度監(jiān)測的迫切性及其內(nèi)部不允許布置額外的電纜線等特點，提出基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)測方案。系統(tǒng)的實現(xiàn)基于TI公司的ZigBee解決方案CC2430Z-Stack和溫濕度傳感器SHT71，詳細討論硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的低功耗問題。系統(tǒng)可以完成對高壓開關(guān)柜的溫濕度監(jiān)測，有效地防止事故的發(fā)生，可靠性高、安裝方便、終端感測節(jié)點功耗低，取得了良好的現(xiàn)場試用結(jié)果，是高壓開關(guān)柜溫濕度監(jiān)測的理想解決方案。

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)測系統(tǒng);ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);高壓開關(guān)柜;CC2430

中圖分類號：TP39302文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2016903

A Kind of Temperature and Humidity Monitoring System for High Pressure Switch

Cabinet Based on ZigBee Technology

WU Guangrong，ZHANG Jianxiong

(No.52 Research Institute，China Electronics Group Corporation，Hangzhou，310012，China)

Abstract：In application，the high pressure switch cabinet need a temperature and humidity monitoring system，and installation of additional cable is forbidden in it.So a kind of wireless temperature and humidity monitoring system based on ZigBee technology is presented in this paper.Adapting ZigBee solution CC2430Z-Stack from TI and digital temperature and humidity sensor SHT71 to realize this system.The hardware design，software design and low power consumption of terminal which is a kind of node of ZigBee network are discussed in detail.The temperature and humidity of high pressure switch cabinet are monitored efficiently，and incidents are avoided.The monitoring system works steadily，and can be easily installed.The power consumption of terminal node is very low.Test result indicates that it is a good solution.

Keywords：temperature and humidity monitoring system;ZigBee;wireless sensor network;high pressure switch cabinet;CC2430

1 引 言

發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜內(nèi)的母線接頭和室外刀閘開關(guān)等重要設(shè)備，在長期運行過程中，因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱。由于這些發(fā)熱部位的溫濕度沒有得到及時有效的監(jiān)測，往往導致火災(zāi)和大面積停電等事故的發(fā)生。實現(xiàn)母線接頭和刀閘開關(guān)等關(guān)鍵部位的溫濕度實時在線監(jiān)測，防止開關(guān)過熱，可以顯著地減少此類事故的發(fā)生。在工程實踐中，高壓大電流設(shè)備內(nèi)的接頭部位都具有裸露高壓，因此這些部位的溫濕度很難監(jiān)測，通常的溫濕度測量方法因無法解決高壓絕緣問題而不能使用\\。

目前，高壓大電流設(shè)備內(nèi)的母線接頭部位溫濕度監(jiān)測的方法主要有紅外測量、光纖測量和無線測量。光纖測量技術(shù)采用光導纖維傳輸溫濕度信號，光導纖維具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開關(guān)柜內(nèi)的高壓，因此能夠準確測量高壓觸點的運行溫濕度，實現(xiàn)高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點運行溫濕度的實時在線監(jiān)測。然而，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導致光纖表面放電，以及安裝布線煩瑣，大大降低了光纖測量系統(tǒng)的可靠性和使用范圍。紅外測量為非接觸式測量方法，沒有高壓絕緣問題。但它容易受環(huán)境及周圍電磁場的干擾，測量精度低，自動化程度低，往往需要人工定期到高壓大電流現(xiàn)場測試，效率低，風險大。另外，開關(guān)柜內(nèi)的空間非常狹小，時常無法安裝紅外測量探頭(因為探頭必須與被測物體保持一定的安全距離，并需要正對被測物體的表面)。

無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)采用無線電波進行信號傳輸，帶有傳感器的測試模塊安裝在高壓設(shè)備表面，與接收設(shè)備之間無電氣聯(lián)系，從根本上解決了高壓絕緣問題，測量精度高，并且安裝方便，不受開關(guān)柜體結(jié)構(gòu)的限制，是監(jiān)測高壓開關(guān)柜溫濕度的理想解決方案。本文提出的高壓開關(guān)柜溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee這一新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2 高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率在10~250 kb/s之間\\，兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的單跳距離為10~75 m，射頻發(fā)射功率低，再加上處理器支持多種休眠模式。一節(jié)普通容量的鋰電池能保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點正常工作1~3年，成本低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大，具有自組網(wǎng)，自動路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免執(zhí)照頻段\\。它是實現(xiàn)高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的理想解決方案。

2.1 硬件設(shè)計

本文提出的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計基于TI公司推出的符合ZigBee技術(shù)標準的CC2430芯片。射頻部分的原理圖設(shè)計在典型電路的基礎(chǔ)上做了少量修改。考慮到系統(tǒng)工作在高壓大電流環(huán)境，為避免引起尖端高壓放電，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用印刷電路板天線或者陶瓷天線。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備\\。終端節(jié)點帶有溫濕度傳感器，是主要的感測節(jié)點，放置在高壓開關(guān)柜內(nèi)。開關(guān)柜內(nèi)往往不允許布置額外的電纜，同時終端節(jié)點支持休眠模式，因此采用電池供電。協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點因為需要給其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供路由傳遞數(shù)據(jù)報功能，因此采用市電供電，使協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點永遠處于工作狀態(tài)。

系統(tǒng)的溫濕度檢測采用瑞士SENSIRION公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71。它是一款將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)整器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和總線接口全部集成在一個芯片上的單片全校準數(shù)字輸出傳感器，可以提供-40~120 范圍內(nèi)分辨率為14 b的溫度測量以及0~100%范圍內(nèi)分辨率為12 b的濕度測量\\。SHT71采用串行接口與微處理器相連，它的串行時鐘輸入線SCK和串行數(shù)據(jù)線DATA直接與微處理器CC2430的通用/輸出口線相連，電路原理圖如圖1所示。串行時鐘輸入線SCK與微處理器保持通信同步，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)。其控制流程如下：微處理器用1組“啟動傳輸”時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟又l(fā)送1組測量命令后，釋放DATA數(shù)據(jù)線，等待SHT71下拉DATA數(shù)據(jù)線至低電平，表示測量結(jié)束，微處理器讀出測量值后，可根據(jù)式(1)、式(2)計算出相對濕度和溫度值\\：

RH_linear=c₁+c₂×SO_RH+c₃×SO²_RH(1)

Temperature=d₁+d₂×SQT(2)

式(1)是相對濕度的計算公式， 是微處理器讀到的濕度值，參數(shù)的值如表1所示。

式(2)是溫度的計算公式， 是微處理器讀到的溫度值，參數(shù) 的值如表2所示。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧的最新版本Z-Stack 1.4.2。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)功能的不同可以分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，成為協(xié)調(diào)器或者路由器的子節(jié)點后，可以主動向網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)報，也可以詢問它的父節(jié)點是否有發(fā)送給它的數(shù)據(jù)報并接收。路由器包含終端節(jié)點的所有功能，此外還可以作為父節(jié)點允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報，對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進行分配，維護鄰居設(shè)備表等。協(xié)調(diào)器除了包含路由器的所有功能外，還包括創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)的功能\\。新建網(wǎng)絡(luò)的流程如圖2所示。

協(xié)調(diào)器通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語來啟動一個新網(wǎng)絡(luò)的建立過程。然后網(wǎng)絡(luò)層請求MAC層對協(xié)議所規(guī)定的信道或由物理層所默認的有效信道進行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。網(wǎng)絡(luò)層收到成功的能量檢測掃描結(jié)果后，以遞增的方式對所測量的能量值進行排序，并舍棄那些能量值超出許可范圍的信道。如果網(wǎng)絡(luò)層找到了合適的信道，則為新建的網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN標識符，接著選擇0x0000作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址。當網(wǎng)絡(luò)層選定網(wǎng)絡(luò)地址后，通過向MAC層發(fā)送MLME-START.request原語完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建過程\\。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)狀網(wǎng)的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間都可以進行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)報的流程如圖3所示。

2.3 低功耗設(shè)計

由于高壓開關(guān)柜內(nèi)是一種高電壓、大電流的環(huán)境，而且一旦開始工作不能輕易停止，因此終端節(jié)點的低功耗特性，也就是一節(jié)普通鋰電池能夠維持終端節(jié)點正常工作的時間長短是決定整個方案成敗的關(guān)鍵。TI公司的ZigBee解決方案從硬件和軟件上保證ZigBee終端節(jié)點具有良好的低功耗特性。ZigBee芯片CC2430是真正意義上的系統(tǒng)單芯片，在單一硅片上集成了處理器內(nèi)核、射頻收發(fā)器和各種外設(shè)，根據(jù)工作頻率的不同以及外設(shè)是否處于工作狀態(tài)，CC2430可以工作在PM0，PM1，PM2和PM3四種低功耗模式，流耗依次降低，工作在PM3模式下時，流耗最低可達0.6 A\\。Z-Stack協(xié)議棧也對低功耗做了很好的支持。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點不具備路由功能，處于空閑狀態(tài)時，它的射頻部分可以關(guān)閉，微處理器可以工作在低功耗的休眠模式。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點發(fā)給終端節(jié)點的數(shù)據(jù)報，可以先存儲在它的父節(jié)點，終端節(jié)點每次退出休眠模式后，主動詢問它的父節(jié)點，是否有它的數(shù)據(jù)報。Z-Stack協(xié)議棧支持LITE sleep和DEEP sleep兩種低功耗實現(xiàn)方式。其中，在LITE sleep模式下，終端節(jié)點能主動退出低功耗模式，完成諸如傳感器數(shù)據(jù)的讀取并發(fā)送的任務(wù)；在DEEP sleep模式下，終端節(jié)點必須由外部中斷信號(如按鍵事件)喚醒\\。根據(jù)實際工程應(yīng)用的需要，本文的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的終端節(jié)點采用LITE sleep低功耗模式。

3 現(xiàn)場試用結(jié)果

本文設(shè)計的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)在變電所的電容式高壓開關(guān)柜內(nèi)進行了現(xiàn)場試用，安裝情況如圖4所示。每個開關(guān)柜內(nèi)布置8~10個ZigBee終端測試節(jié)點，用于測試開關(guān)觸點和母線連接部位的溫濕度，整個配電室內(nèi)的所有測試節(jié)點通過路由節(jié)點組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。終端測試節(jié)點大部分時間處在休眠狀態(tài)，每隔5 min醒來1次，讀取傳感器溫濕度值，并發(fā)往ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器可以通過串口、以太網(wǎng)或GPRS等多種接口方式將測量數(shù)據(jù)發(fā)往后臺管理數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)在不更換終端節(jié)點電池的前提下，已經(jīng)連續(xù)正常工作10個月，預計可以正常工作3年以上。

4 結(jié) 語

本文針對高壓開關(guān)柜開關(guān)觸點和母線連接等部位溫濕度監(jiān)測的迫切性及工程現(xiàn)場的特點，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵點位溫濕度監(jiān)測，有效地防止了重大事故的發(fā)生。系統(tǒng)實現(xiàn)成本低廉、安裝方便、終端節(jié)點功耗低、工作穩(wěn)定、具有很強的工程實用性和市場推廣價值。

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作者簡介

吳光榮 男，1963年出生，碩士研究生，講師。研究方向為新興無線通信技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化。

章劍雄 男，1978年出生，碩士研究生，工程師。主要研究方向為新興無線通信技術(shù)研究及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)。