基于Zigbee的電力設備紅外測溫系統

摘 要：針對目前電力設備溫度檢測中普遍依賴人工采用紅外成像儀、紅外測溫儀等儀器進行巡檢存在的問題，結合紅外測溫探頭和Zigbee無線網絡通訊技術，研制了一種基于Zigbee的電力設備紅外測溫系統，該系統主要由測溫裝置和應用網關構成。詳細介紹了系統的結構和原理，測溫裝置及應用網關的硬件和系統軟件的實現。

關鍵詞：紅外測溫；無線通訊；電力設備；應用網關

引言

電力設備的有效的監測和檢測直接關系到電力系統的安全和效益，變電站中無論哪種設備出現不正常工作狀態若不及時處理很可能會發展成故障，甚至造成設備損壞或人身事故，而造成不可估量的后果。對設備進行有效的監測和檢測，可使設備維修費減少25%～50%，設備事故率減少75%，經濟效益十分顯著。

紅外檢測技術能夠以遠距離、非接觸、實時、快速在線監測方式獲取設備的運行狀態信息，具有分辨率高、形象直觀、不受電磁干擾、安全可靠和效益/投資比高等優點，可以在不停電、不取樣、不解體的狀況下進行故障的診斷分析，因此，紅外診斷技術在電力系統得到了較廣泛應用。目前國內外大多使用紅外熱成像儀進行定期的巡檢，不能達到實時全面動態檢測，由于紅外熱成像儀大多體積較大，巡檢過程需工作人員攜帶儀器進入現場，增加了工人勞動強度。并且價格非常昂貴，大型變電站方可配備，對于絕大多數的小型變電站，或無人值守變電站則發揮不了應有的作用，本文提出一種基于Zigbee的電力設備紅外測溫系統，既可以避免紅外成像儀成本高，難以廣泛使用等問題，又可以充分發揮計算機技術的優勢，完成一些人工檢測難以完成的任務，從而有利于提高監測實時性，可實現變電站的無人值守，同時也為狀態檢修提供了數據參考。

1 系統結構及原理

基于Zigbee的電力設備紅外測溫系統主要由紅外測溫傳感器和應用網關組成，系統結構如圖1中虛線框部分所示。紅外測溫傳感器基于性價比較高的紅外測溫技術，紅外測溫傳感器與應用網關之間通過基于Zigbee的無線傳感器網絡進行通訊，應用網關對外提供網絡接口，通過以太網實現與其他終端設備的通訊。應用網關作為紅外測溫傳感器與電力系統其他終端的橋梁，一方面實現溫度數據的采集、轉化和管理；另一方面實現與其他終端設備的通訊接口與數據交換。電力系統中的其他終端設備可通過應用網關實現對紅外測溫傳感器的透明訪問。

圖1 系統結構圖

2 紅外測溫傳感器硬件設計

紅外測溫傳感器主要由光學鏡頭、傳感器芯片、信號處理電路、AD轉換電路、單片機MC9S12XS128、溫濕度測量電路以及Zigbee接口電路組成，結構如圖2所示。紅外測溫傳感器芯片將物體發出的紅外光轉換為電壓信號；信號處理電路對紅外測溫傳感器芯片的輸出信號進行濾波放大；AD轉換電路將信號處理電路輸出的模擬電壓信號轉換為數字信號；單片機對AD轉換電路輸出的數字信號進行處理和存儲，并實現對Zigbee接口電路的控制；Zigbee接口電路實現與應用網關的通訊連接；溫度濕度測量電路用于對環境溫度和濕度的測量，有利于用戶對設備運行狀態的準確判斷。

圖2 紅外測溫傳感器結構圖

2.1 紅外測溫傳感器芯片和信號處理電路

紅外測溫電路由紅外測溫傳感器芯片和信號處理電路構成，紅外測溫傳感器芯片選用德國HL-Planartechnik公司生產的TS118-3。TS118-3通過其熱端的吸收區把引入的紅外線轉換電壓成輸出。由于TS118-3輸出信號很微弱，為達到使用要求，本系統采用運算放大器AD8554進行信號放大。紅外測溫電路如圖3所示。

圖3 紅外測溫電路

2.2 溫度濕度測量電路

圖4 SHT75與MC9S12XS128的電路連接圖

2.3 信號處理電路

測溫信號處理電路由一個二階有源低通濾波器和一個同相放大器組成，濾波器和放大器基于雙運算放大器芯片OP292，如圖5所示。信號處理電路接收電磁信號檢測電路的檢波輸出，進行濾波放大后輸出到單片機MC9S12XS128的AD輸入端。

圖5 信號處理電路

3 應用網關硬件設計

應用網關主要由Zigbee接口電路、嵌入式系統模塊、以太網接口電路組成，結構如圖6所示。其中，Zigbee接口電路實現與紅外測溫傳感器的通訊連接；以太網接口電路實現與電力系統其他終端的連接；嵌入式系統模塊是應用網關的核心，用于對紅外測溫數據的獲取、處理和管理，以及為其他終端的訪問提供數據服務。

圖6 應用網關結構圖

Zigbee芯片采用TI公司的CC2530芯片。CC2530芯片在單個芯片上整合了Zigbee射頻（RF）前端、內存和微控制器，其具有不同的運行模式，適應超低功耗要求的系統。本系統根據CC2530典型電路設計的通信模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7 CC2530通信模塊電路原理圖

4 系統軟件設計

紅外測溫系統的軟件包括紅外測溫傳感器軟件、應用網關軟件和后臺測試軟件三部分。系統軟件結構如圖8所示。紅外測溫傳感器軟件通過傳感器節點Zigbee通訊接口獲取后臺測試軟件通過應用網關的下傳的指令，然后由指令處理程序對指令進行解析，根據指令控制進行紅外測溫。并將測溫數據通過傳感器節點Zigbee通訊接口，由應用網關轉發給后臺測試軟件；應用網關軟件通過以太網通訊接口接收后臺測試軟件下傳的指令，并將指令通過協調器Zigbee通訊接口轉發給對應的紅外測溫傳感器。同時，接收紅外測溫傳感器上傳的紅外測溫數據，并通過以太網通訊接口轉發給后臺測試軟件；后臺測試軟件提供人機接口界面，實現用戶對紅外測溫傳感器的控制，通過以太網通訊接口傳送用戶指令或接收紅外測溫數據，紅外測溫數據的顯示。

圖8 系統軟件結構圖

5 結束語

本文提出一種基于Zigbee的電力設備紅外測溫系統，該系統主要由紅外測溫傳感器和應用網關組成，傳感器基于性價比較高的紅外測溫技術，因此成本可以大大降低，適用于中小型變電站和大量的無人值守變電站。而無線通訊技術的使用，可實現通過計算機互聯網對紅外測溫傳感器的自動識別和信息的互聯與共享。因此本系統能夠實現對電力設備進行實時網絡化安全監測，能夠實現熱故障狀態檢測和診斷、設備檢測和監控等方面功能，將大大提高變電站運行安全性、可靠性，并降低工人的勞動強度。

參考文獻

[1]趙榮昌.紅外診斷技術的原理及其在電廠的應用[J].燃氣輪機技術，2006.

[2]黃雅羅，黃樹紅.發電設備狀態檢修[J].中國電力出版社，2000.

[3]李崢.電力變壓器過熱故障綜合診斷技術研究[D].南京：河海大學，2005.

[4]陳衡，侯善敬.電力設備紅外診斷[M].北京：中國電力出版社，1998.

[5]趙振兵，高強，苑津莎，邱巍巍，仝衛國.一種變電站電氣設備溫度在線監測新方法[J].高電壓技術，2008.

[6]高強，徐芳芳.紅外點溫儀檢測輸電線路導線連接器[J].高電壓技術，2002.

[7]周秀英.遠紅外測溫儀在變電所的應用[J].煤，2008.

[8]鄧小強.電力設備故障紅外診斷技術應用中的一些注意事項[J].廣東輸電與變電技術，2007.

[9]孫志遠，李清安，喬彥峰，朱瑋.提高紅外測溫系統測溫精度的研究[J].儀器儀表學報，2006.

作者簡介：袁輝建（1977-），男，重慶九龍坡，碩士研究生，講師，主研方向為基于嵌入式系統的電力系統數據采集實時研究。