一種基于Zigbee的中壓饋線柜無線測溫系統

摘 要：文章提出一種基于Zigbee的中壓饋線柜無線測溫系統的方案，該系統中含有一體化熱電偶溫度變送器、Zigbee無線傳輸模塊JN5139芯片、測溫儀系統、PC監測站、供能CT電源。所述的JN5139芯片包括MCU、MODEM和天線，MCU將傳感器采集的數據處理后，經過MODEM調制后，用天線傳輸給測溫儀系統的無線接收端。所述的測溫儀系統包括無線接收端、MCU、報警LED、EEROM存儲、鍵盤顯示、JTAG接口和通信接口，通過RS485總線與所述的PC監測站組建局域網。所述的傳感器、芯片和測溫儀電源通過供能CT變電后獲得。

關鍵詞：Zigbee無線傳輸；中壓饋線柜；測溫系統；熱電偶溫度變送器

Abstract： This paper puts forword a kind of medium voltage feeder tank based on Zigbee wireless temperature measuring system ，the system intergration is contained in the thermocouple tenperature transmitter，Zigbee wireless transmission module JN5139 chip，temperature measuring instrument system，PC monitoring stations，power CT power supply. Described JN5139 including MCU，MODEM CHIP and antenna ，MCU will be collected sensor data processing ，after the MODEM modulation of transmission to be thermomenter system with antenna wireless receiver. Described the thermometer station including wireless receiver ，MCU，alarm LED，EEROM memory，keyboard display ，JTAG interface and communication interface .described by RS458 BUS and PC monitoring station set up local area network（LAN），sensors，chiip and thermometer as stated in the power supply throngh the power after CTsubstation.

Keywords： Zigbee； medium voltage； feeder tank； terperature measurement

在設備長期運行過程中，開關柜中的觸點和母排連接處等部位因為老化或者接觸電阻過大而發熱，或者母線與觸點在載流過大時經常出現溫升過高，使相鄰的絕緣部件性能劣化，而這些發熱部位的溫度無法檢測，由此最終導致擊穿甚至火災而造成事故。電氣設備的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良的原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，接觸電阻增大，惡性循環造成隱患，此類故障占外部故障的90%以上。內部熱故障一般都發熱時間長而且較為穩定，與故障點周圍導體或絕緣材料發生熱量傳遞，使局部溫度升高，因此可以通過檢測其周圍材料的溫升來診斷電氣設備的內部故障。通過監測觸點以及母排連接頭的溫度，保證開關柜可靠運行。

1 系統硬件設計

開關柜的各個觸頭的測溫形式有多種，文章主要是采用一體化熱電偶溫度變送器測量溫度，然后采用Zigbee無線通訊的方式進行數據傳輸，由測溫儀系統根據接收到數據，進行數據分析處理并存儲，測溫儀可以通過RS485總線與PC監測站組建局域網，進行數據交換分享。而且測溫儀系統帶有報警裝置，當開關柜中的某觸頭溫度出現異常時，測溫儀可以現場觸發報警裝置進行報警，或者通過無線傳輸指令給手機APP進行報警。當有報警信號時，可以現場操作解除警報，也可以通過手機APP發送指令，對溫度異常的觸頭進行處理以便解除警報。其結構框圖如圖1：

1.1 一體化熱電阻溫度變送器

SBWZ系列熱電組溫度變送器是DDZ系列儀表中的現場安裝式溫度變送器單元，它采用二線制傳輸方式：連根導線作為電源輸入和信號輸出的公共傳輸線，其將熱電組信號轉換為與輸入信號或者與溫度信號成線性的4-20mA，0-10mA的輸出信號。熱電組溫度變送器具有冷端溫度自動補償功能，其將測量到溫度轉換成電信號，再將電信號送入變送器的輸入網絡，PIC16f877A通過接收變送器傳輸的信號，對信號進行分析處理，并且存儲。

測溫模塊電路圖如圖2。

1.2 測溫儀系統

測溫儀系統包括無線接收端、MCU、報警LED、EEROM存儲、鍵盤顯示、JTAG接口和通信接口，通過RS485總線與所述的PC監測站組建局域網。測溫儀系統是整個開關柜溫度監測的核心控制臺，一體化熱電偶溫度變送器采集到溫度信號傳輸到測溫儀系統中，測溫儀系統對采集到的數據進行分析處理，根據接收到的溫度值判斷開關柜的各個觸頭的溫度是否處于異常狀態，如果是其將啟動報警裝置，將報警LED燈點亮，并且通過RS485總線與PC監測站進行通訊。

1.3 無線傳送模塊

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標準的無線協議，主要是應用于低通訊速率，低功耗設備的組網，可以實現一點對多點的快速組網，主要優點是低功耗，網絡容量大，時延較短，經濟效益好，而且安全可靠。Zigbee支持多種網絡拓撲結構：線性網絡，樹形網絡，星形網絡，mesh網絡，簇形網絡等。本設計主要使用的網絡為星形網絡。JN5139芯片集成了支持32MIPS低功耗32位RISC處理器，RF收發器，192KBROM，96KRAM以及4路12位ADC和2路11位DAC，通過采用JN5139無線模塊作為信號傳送系統的核心芯片，可以快捷 的實現Zigbee網絡通訊。其無線數據采集系統MCU硬件設計框圖如圖3所示：

2 檢測系統軟件設計

軟件編寫主要是用于PIC16f877A單片機數據采集顯示以及判斷各個觸頭的溫度是否出現異常，如果出現異常，則可以進行現場報警以及通過手機APP進行報警，工作人員可以通過手機直接發送對應的指令進行解除報警，可以在實現遠程監測。在程序編寫過程需要安裝MPLAB IDE軟件的同時還需要安裝編碼器。通過編碼器將c語言轉換成匯編語言。整體流程圖如圖4：

首先，對液晶顯示的參數以及各個I/O端口的初始化，將端口RA設置為AD端口。然后，通過熱電阻測量溫度，數據將溫度變送器傳送至PIC16F877A單片機中，經過數模轉換，得到當前的溫度值，其數據采集表達式為

文章中采用中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）進行濾波，即“中位值濾波法“+”算術平均濾波法”連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值然后計算N-2個數據的算術平均值，其中N值的選取30。液晶顯示屏LCD1602通過與PIC16F877A芯片通訊，將其采集到的溫度數據進行在顯示屏上顯示，同時顯示采集日期以及時間信息。文章根據開關柜工作的溫度范圍，預設一個溫度報警范圍，當溫度出現異常時，控制系統將數據通過手機APP進行報警或者現場報警警示，工作人員可以通過手機直接發送指令進行警報解除。并且控制器可以將異常溫度出現的時間點以及次數記錄下來，并生成報告，以便工作人員可以隨時隨地的查詢到該開關柜的各個觸頭的溫度情況。

3 系統測試

采取模塊化的形式，將要實現的各個功能的程序分開，然后測試各個模塊是否能正常運行，然后再將模塊組合，完成總體調試，最后通過燒錄器將程序燒錄到PIC單片機中。圖5為文章測溫系統的測試界面：

在測試過程中，通過按鍵模仿開關柜的觸頭出現溫度異常的情況。當按鍵按下時，蜂鳴器會進行報警處理；通過改變溫度，使得測量到的溫度超出設定范圍，一旦超出范圍，那么蜂鳴器也將進行報警處理。

4 結束語

文章通過一體化熱電偶溫度變送器測溫，然后采用Zigbee無線網絡傳輸數據，實時監測開關柜中各個觸點的溫度是否在正常范圍內，一旦出現異常，將進行報警處理，保證開關柜安全可靠運行。提供了一種基于Zigbee無線網絡傳輸的溫度檢測方法，并且自具電源，解決了目前開關柜測溫中出現的不能直接測溫、干擾和高壓隔離的問題。

參考文獻

[1]徐寶強，楊秀峰，夏秀蘭，等.光纖通信及網絡技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[2]楊祥林.光纖通信系統[M].北京：國防工業出版社，2000.

[3]廖延彪.光纖光學[M].北京：清華大學出版社，2000.

[4]高煒烈，張金菊.光纖通信[M].北京：人民郵電出版社，1996.

[5]李玲，黃永清.光纖通信基礎[M].北京：國防工業出版社，2000

[6]Morey W W，Meltz G，Glenn H.Formation of Bragg grating sensors.in Proc.SPIE Fiber OpticsLaser Sensors VII，1989，1169：98-107.

[7]Morey W W，et al.Bragg-grating temperature and strain sensors，in Proc. OFS89，Paris，France，1989：526.

[8]Mazzunghi P. LEAF：A fiber optic fluorometer for field measurement of chlorophyll fluorescence.SPIE.1991，1510：187-194.

[9]林學煌.光無源器件[M].北京：人民郵電出版社，1998.

[10]劉增基，周洋溢，胡遼林，等.光纖通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[11]劉德明，向清，黃德修.光纖光學[M].北京：國防工業出版社，1995.

[12]饒云江.光纖技術[M].北京：科學出版社，2006.

[13]廖延彪，黎敏，張敏，等.光纖傳感技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2009.