基于GPRS和ZigBee技術的電纜接頭溫度無線監測的系統設計與實現

吳松，許丹楓

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002; 2.深圳供電局，廣東　深圳　518000)

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基于GPRS和ZigBee技術的電纜接頭溫度無線監測的系統設計與實現

吳松1，許丹楓2

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002; 2.深圳供電局，廣東深圳518000)

電纜接頭溫度是影響電纜正常運行的重要因素之一。本文設計與實現了一種電纜接頭的智能監測系統，本系統由現場溫度監測節點、遠程通訊網絡和上位機系統組成。接頭溫度由安裝在接頭處的現場溫度監測節點上的DS18B20溫度傳感器采集得到，基于GPRS和ZigBee技術構造遠程通訊網絡來實現地下電纜接頭溫度數據的遠程傳輸。最后，開發上位機系統用于溫度數據的處理。

電纜接頭；溫度；ZigBee；GPRS；智能監測控制系統

1　引言

接頭是電纜線路中的重要組成部分，接頭處的高溫是電纜故障的主要原因[1]。由于電纜主要鋪設與地下區域，有線監測方式因為其布線難、不易拓展等缺點不適合于對電纜接頭進行監測。因此，無線監測方式引起了廣泛的注意，并且在發電廠、礦山、變電站、醫院等場所得到了廣泛應用[2-5]。另外，在地下區域對監測設備進行供電也是一個難題，這個問題目前通過感應取電裝置得到了初步解決。

本文構建了一個智能監控系統來對接頭溫度進行監測，其由溫度傳感節點、遠程通訊網絡和上位機系統構成。系統中接頭溫度由安裝在接頭處的現場溫度監測節點上的DS18B20溫度傳感器采集得到。數據的遠程傳輸借由基于ZIGBEE和GPRS技術的遠程通訊網絡實現，其中ZigBee是一種具有低成本、低速、低功耗的通訊標準。最終采集到的數據傳送到上位機系統中儲存和分析。

本文首先搭建了監測系統的框架，然后對系統中的各部分進行了闡釋，并通過現場測試對系統性能進行驗證；最后，對結論進行總結并對未來的工作進行了介紹。

2　系統結構

系統由地下工作層、遠程傳輸層和上位機中心組成，如圖1所示。

地下工作層由ZigBee溫度傳感節點與電纜井中的ZigBee網關節點組成。收到采集命令后，溫度傳感節點利用溫度傳感器測量電纜接頭的表面溫度，溫度數據通借由ZigBee網絡傳到網關節點。必須注意的是，普通ZigBee設備的通訊距離是100～200m[6]。此系統中利用增益天線ZigBee設備的通訊距離擴展到400～500m，所以數據可以以接力棒的方式傳到網關節點。

當監控中心向工作層發送采集指令后，匯聚在網關節點的數據通過遠程通訊層中傳輸到遠處的上位機中?？紤]到工作層與監控中心的遙遠距離，必須在遠程通訊層中選用一種可靠程通訊技術，本系統使用GPRS網絡。在監控中心，開發了一款上位機，實現了數據采集，存儲和預警的功能。

圖1　溝槽電纜溫度監測系統圖

3　系統的實現

本節對系統各部分的實現進行了介紹，涉及相關的硬件模塊涉及與軟件流程。

3.1溫度傳感節點

(1)溫度傳感模塊

溫度數據的采集依靠安裝在節點上的溫度傳感器獲得。這些傳感器集成在電路板上然后通過傳輸線與微控制器的I/O接口相連。對傳統的模擬傳感器來說AD轉換電路是必不可少的，轉換電路較為復雜，在地下環境中使用有很高的損壞率。因此，使用數字型溫度傳感器來進行溫度采集。

圖2　溫度傳感節點結構圖

本文中使用DS18B20作為溫度傳感器，這是由美國達拉斯半導體公司開發的一種數字型溫度傳感器，測量范圍為-55℃～+125℃，測量誤差為1℃[7]。其具有體積小、高精度、易安裝等優點。另外，由于DS18B20直接輸出數字信號而不是模擬信號所以不需要另外再安裝AD轉換模塊。

(2)微控制器及射頻模塊

微控制器及射頻模塊選用德州儀器生產的CC2530。此芯片是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能[8]。微控制器的程序流程如圖3所示。

溫度傳感節點的軟件流程如下所示。通電后系統初始化，節點搜索附近找到網絡并判斷是否加入。加入網絡后，微控制器控制傳感器采集數據并將數據存儲并逐個發送。隨后溫度傳感節點進入休眠模式，微控制器控制停止溫度采集，整個裝置以很小的電流運行。當收到喚醒信號后，裝置重新進入工作模式，繼續采集發送數據。

(3)電源模塊

在5V的電直流電壓下溫度傳感節點才可以正常工作，地下電纜敷設區域的惡劣環境使得必須對電源進行專門設計，正常的電源不能夠滿足要求。

圖3　溫度傳感節點的軟件流程圖

本文設計了一種感應取能裝置來對節點進行電能供給，裝置通過電流互感器直接從電纜上進行感應取能，此電流互感器是利用電磁感應原理根據已知的材料參數和結構尺寸的基礎上設計的。感應出的電壓通過濾波器和DC-DC模塊處理后被轉化為5V的直流電壓。感應取能裝置的結構如圖4所示。

3.2網關節點

網關節點的硬件結構與溫度傳感器類似，不同的是其中加上了GPRS模塊和RS232接口。溫度傳感節點傳來的溫度數據借助GPRS模塊遠程傳送給監控中心。

網關節點的軟件流程如圖5所示。裝置通電后系統初始化，然后網關節點建立網絡并從溫度傳感節點接收數據，這些數據被傳送給GPRS模塊。最后，GPRS模塊將接收到數據傳送給網絡上一個特定的IP地址，其中網關節點一直處于工作狀態。

3.3上位機

本文開發了相應的上位機軟件，此軟件提供了良好的人機界面，并有數據展示、儲存、預警等功能。軟件流程如圖6所示。

圖6　上位機軟件流程圖

4　實驗與分析

試驗在戶外環境中進行，所采用的裝置如圖7所示。三個溫度傳感節點與一個網關節點分布在實驗樓的樓頂，通電后網關節點借助GPRS與實驗室中的PC機相連。PC機上的上位機軟件接收到了溫度數據并展示如圖8所示。

從結果可知這個近似的模擬系統可以完成溫度數據的接收和發送功能。同時，3個點的采集溫度是19～21℃，并且與實地測試相比最大的誤差是2℃，這說明本系統是一個能夠初步應用的系統。

圖7　試驗設備

圖8　試驗結果

5　結論與展望

本文介紹了一種對于電纜接頭的監控系統。系統基于ZigBee和GPRS技術對接頭溫度實現無線監測，相對于傳統監測手段來說，其具有低成本、易拓展、易安裝等優點。試驗結果標明此系統可以滿足精確性的要求。

由于目前試驗條件不足，并沒有對本系統進行更多開發。未來將對本系統進一步改善，包括監測裝置的封裝都將被考慮進來。此外，也會對本系統的大范圍監測進行測試。

[1]孫靖宇.地下電纜表面溫度監測系統的研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2008.

[2]吳飛龍.BOTDA光纖傳感器技術在電力電纜測溫中的應用探討[J].光纖傳感技術,2013(2):21-24.

[3]解軍.基于ISM與GSM鏈接的電力電纜接頭溫度監測系統[J].電源與儀表,2014,51(7):81-85.

[4]杜長軍.城區電力電纜接頭故障在線監測與預警系統[D].吉林：東北電力大學，2009.

[5]S.Nakamura,S.Morooka,K.Kawasaki.Conductor Temperature Monitoring System in Underground Power Transmission XLPE Cable Joints[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(4):1688-1696.

[6]Arthur Hartog.Distributed fiber-optic temperature sensors——technology and applications in the power industry[J].Power Engineering Journal,1995,9(3):114-120.

[7]Ching-Yen Chuang,Aleksey Shepelev,Charlie Qiu,Chi-Cheng Chu,Rajit Gadh.Design of RFID Mesh Network for Electric Vehicle Smart Charging Infrastructure[C].Proceeding of IEEE International Conference on RFID Technologies and Applications,Johor Bahru,Malaysia,2013.

[8]鄧世杰，王國軍，王濤.采用現代工控技術實現變電站輔助系統自動控制系統[J].寧夏電力，2007(4)：48-50.

Design and Implementation of Intelligent Supervisory Control System for Cable Joint Based on ZigBee and GPRS

WUSong1,XUDan-feng2

(College of Electrical & New Energy,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

To realize real-time monitoring for the temperature of underground power cables,a wireless monitoring system is introduced.Remote supervision for surface temperature monitoring is implemented by the wireless system based on ZigBee and GPRS.Based on the temperature field analysis for power cable using Finite Element Method,the temperature measurements of the cable surface are explicated.And from which the conductor temperature of cable is reversibly calculated.The supervisory system is to control the wireless communication system and deal with the monitored data.A prototype system is established in the lab for the verification of the system,and the results show that the system meets the real time monitoring requirements.

cable connector;temperature;ZigBee;GPRS；intelligent mornitoring control system

1004-289X(2016)02-0031-04

TP277

B

2015-07-06

吳松(1980-)，男，碩士研究生，主要從事電氣設備在線監測；

許丹楓(1980-)，女，吉林省吉林市人，工程師，主要從事變電站設計。