基于ZigBee的高壓開關柜溫度檢測報警系統設計

原小永 解應博

摘要：高壓開關柜內器件老化或所選器件的電阻過大，容易使設備運行時開關柜內溫度過高。為了避免由于柜內溫度太高而導致火災發生，提出了一種通過ZigBee和RS485總線進行相關數據傳輸的檢測報警系統。傳感器將采集到的溫度信號通過ZigBee網絡傳送至分站，分站對接收的溫度信號進行處理后，通過RS485總線將信號傳輸到主站。主站采用工控機對各個分站傳送來的溫度信號進行分析和處理，發現溫度異常后立即報警。結果表明，該系統溫度檢測靈敏，信息傳輸速率高，抗干擾性強，運行安全可靠。

關鍵詞：開關柜；ZigBee；溫度檢測；溫度報警

DOIDOI：10.11907/rjdk.171598

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：16727800（2017）010011503

0引言

社會的發展、科技的進步促使電器產品的應用越來越普及，電氣火災也隨之增多。在近幾年來的火災事件中，電氣火災占比達到30%左右，該類型火災已經成為現今社會火災事件的重要來源之一。因此，如何進行電氣火災的有效預防，成為最近幾年火災預防工作的重中之重。開關柜是變電站和發電廠等相關企業中決定電力系統正常運轉的關鍵設備[1]，對電力系統的可靠運行起到重要作用[2]。設備在經過長時間、連續不間斷的運行后，高壓開關柜內部溫度會逐漸升高，最后會導致柜內的相關線路受到一定程度損壞，使一些在日常系統的運行過程中能夠起到保護內部電路作用的絕緣材料快速老化[3]。高壓柜內的設備觸點以及其它元件因為長期運行逐漸老化，有的元器件電阻過于龐大，又會導致柜內設備運行時的發熱量增加，進而產生惡性循環。并且在設備運行過程中，開關柜處于常規封閉狀態，這從一定程度上增加了柜內相關設備發熱部位的溫度檢測難度[4]，無法實現開關柜內溫度的實時檢測和報警，最終因為開關柜內部溫度過高，導致火災事故的發生。因此，解決開關柜內溫度過高的問題，對于減少電氣類火災事故的發生具有重要意義。

在電力系統的實際工作過程中，高壓開關設備數量較多，設備的檢修任務艱巨并且維修費用很高。通常情況下開關柜內部空間較小，布線相對密集，無法完成開關柜內部的人工測溫，不能及時掌握相關設備節點處的溫度情況，于是對開關柜內部溫度的及時檢測報警能對高壓開關柜的安全運行提供很大保障。目前高壓開關柜內部測溫主要有紅外成像以及光纖測溫等幾種常用的測溫方式，楊奕等[5]利用紅外通信技術提出一種高壓開關柜的檢測和預警系統，對開關柜內的熱點溫度進行實時監測和預警；李玉柱等[6]根據紅外傳感器的相關工作原理，對高壓柜的開關觸頭進行溫度在線監測；孫澄宇[7]詳細比較了常規的溫度檢測技術之后，提出了一種利用光纖傳感器對高壓開關柜內的溫度進行檢測的方法。這些技術雖然極大地改善了依靠工作人員對柜內溫度進行檢查的缺陷，但還是不夠成熟和完善。現在使用的高壓開關柜溫度監測系統大多采用固定式測溫，不能隨意布置監測點與調整監測部位。由于高壓開關柜需要監測的溫度點數眾多，一旦因為溫度監測不到位發生火災事故，將會造成巨大損失。為了解決該問題，需要對發熱部位的溫度監測進行集中管理。因此，提出了一種基于ZigBee網絡的高壓開關柜溫度實時檢測報警系統，用來提高相關設備運行的安全性和可靠性[8]。

ZigBee技術最近幾年在信息通訊中使用較多，主要用于較短距離的信息傳輸，無線信號在短距離內有較強的抗干擾能力，能夠在高壓環境下保持很好的信號傳輸性能[9]。采用ZigBee網絡進行信息傳輸也能解決開關柜內布線困難的問題，且方便安裝[10]。本文利用ZigBee技術進行高壓開關柜內溫度實時檢測，該溫度檢測報警系統可全面采集高壓開關柜內的溫度，溫度傳感器也可以方便地安裝在需要進行溫度采集的部位。溫度傳感器將檢測到的溫度信號經過相關的分析處理后，能夠自動將信息傳輸到工控機中，而不需要人工干預。根據實際情況進行溫度的檢測和報警，可以確保高壓開關柜內相關器件的長期正常運轉，有效避免火災發生。

1高壓開關柜溫度檢測報警系統網絡結構設計

該溫度檢測報警系統由溫度監測報警中心（上位機）、溫度監測儀（分站）以及高壓開關柜內的溫度采集模塊（傳感器）3部分組成。其中無線溫度監測儀以及溫度采集模塊使用CC2480單片機作為控制器芯片。檢測報警系統使用DS18B20進行柜內溫度的采集并將采集到的溫度數據傳送給CC2480芯片，再由CC2480芯片通過ZigBee網絡將溫度數據傳送給分站。分站通過RS485總線和主站連接到一起。主站對溫度信號進行分析處理，若溫度值高于安全值則啟動報警，避免帶來經濟損失。溫度檢測報警系統結構如圖1所示。

2系統硬件電路設計

2.1傳感器選型

目前溫度傳感器種類繁多，在綜合考慮溫度傳感器的防水性、功耗、工作性能等主要因素之后，選擇DS18B20進行柜內溫度的檢測。該型號溫度傳感器測溫范圍大，通常能夠達到-55℃～+125℃，測溫精度能夠達到±0.5℃，且具有多點組網特性、一線接口通訊能力，擁有寄生供電電源和外部電源供電兩種供電模式供用戶選擇，其數字化傳輸方式極大地提高了抗干擾能力。

2.2溫度檢測電路模塊

開關柜無線溫度采集模塊主要由DS18B20溫度傳感器、測量電路、CC2480控制電路、無線調制接口以及供電電源電路等若干電路組成。溫度檢測電路如圖2所示。

溫度傳感器將采集到的開關柜內溫度值經過處理后變成相應的數字量，傳輸到CC2480芯片內部，信號在CC2480芯片內進行相應分析處理，然后采用射頻調制方式，通過無線收發器電路將處理過的信號發送到分站。

2.3CC2480模塊

CC2480芯片采集并處理溫度傳感器所得的數據，同時將數據傳輸至無線溫度監測儀。CC2480芯片內部集成了ZigBee射頻前端、定時器、模數轉換器，該芯片無線性能出色，正常運行時功耗很低，采用CMOS工藝，芯片的工作電流只有27mA，共有I/O端口線、電源線和控制線引腳共48個，模塊電路如圖3所示。endprint

3系統軟件設計

開關柜內溫度檢測報警系統軟件主要由ZigBee通信軟件、下位機軟件和上位機軟件組成，具體軟件設計方法如下：

3.1ZigBee 通信軟件設計

溫度檢測報警系統使用的開發環境是IAR7，該溫度檢測報警系統采用的協議棧為TI 提供的ZigBee2006 協議棧ZStack，溫度檢測報警系統中主節點被初始化為網絡協調器。協調器是整個ZigBee網絡的核心，相當于網關，網絡協調器負責相關通訊網的建設。相關節點在進行數據通訊之前，協調器要完成相關網絡的連接，包含了所有網絡信息。圖4是協調器節點的軟件設計程序流程。

3.2下位機軟件設計

下位機軟件設計主要完成高壓開關柜內溫度數據的采集轉換，以及與上位機的信息傳輸等，包括程序初始化、檢測程序設計和串行通訊程序等。程序初始化主要是完成波特率設置，同時完成中斷處理操作和定時器的初始化，程序中采用的中斷方式是外部中斷方式。串行通訊主要是當檢測到溫度傳感器采集的數據后申請中斷，并調出串行通訊子程序進行數據的發送。下位機軟件設計的主程序流程如圖5所示。

3.3上位機軟件設計

上位機軟件的功能主要是向工作人員提供一個良好的操作界面。目前常用的幾種開發上位機檢測控制界面的軟件包括LabVIEW、組態王、VC++等。綜合考慮后，本文選擇功能強大且操作簡單的組態王軟件進行溫度檢測界面的設計。上位機主要完成以下幾方面工作：①監控主畫面：顯示要監控的開關柜名稱、設備編號、開關柜內實時溫度、設定溫度、狀態指示燈等。主畫面要求能夠直觀反應出開關柜內各個測溫點的情況；②參數設置：可進入任意一個溫度報警值進行設置；③數據報表：可進行實時數據和報表等相關數據查詢；④報警記錄：可進行實時報警、歷史報警等查詢。上位機設計界面如圖6所示。

4系統運行

開關柜溫度檢測報警系統正常運行時，能夠完成對開關柜內相關監測點溫度的檢測和報警，實現對各個監測點溫度值的采集記錄、實時顯示以及報表打印等功能。如圖7所示為一天中某一時間段的開關柜內監測點處的溫度實時曲線顯示。從溫度曲線可以直觀清晰地看到開關柜內檢測點處在這一時間段內的溫度高低。從圖中可以看到，在這一時間段內監測點處的溫度處于開關柜內設備運行的正常范圍值內。

5結語

基于ZigBee的高壓開關柜溫度檢測報警系統能夠實現同時對高壓開關柜內部若干個區域的檢測，可以根據系統的檢測需求，不斷變換布置溫度檢測點位置和調整檢測點部位。若溫度值檢測出現異常，系統會啟動報警裝置，促使工作人員及時檢查相關部件。該溫度檢測報警系統運行成本相對較低，且性價比很高，方便安裝，易于后期維護，具有一般溫度檢測報警系統所不具備的優勢，可以較好地解決傳統溫度檢測系統中存在的布線困難等實際問題。實驗結果表明，高壓開關柜溫度檢測報警系統檢測靈敏，信息傳輸速率高，傳輸過程中抗干擾能力強，能夠有效避免因為溫度過高引起的電氣火災。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：黃健）endprint