基于Zigbee的變電站內電纜溝溫濕度監測系統設計

操文祥 吳曉春 檀美慧

摘 要：利用ZigBee及NB-IOT通信技術，對變電站內電力電纜進行溫度、濕度采集，并實時上報到后臺管理平臺，通過移動終端或PC終端遠程監控，確保電力電纜穩定可靠運行，避免火災、短路等事故發生，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：ZigBee 溫濕度傳感器 NB-IOT 電纜溝

一、引言

電力系統是國民經濟的基礎和支柱，是維持工業、經濟正常運行的持續穩定發展的根本保證，電力系統的安全穩定關系到國計民生。電力電纜是電力系統的重要組成部分之一，長期運行在高電壓、大電流環境下，有可能出現絕緣老化、環境潮濕導致短路等問題，如不及時采取措施就可能造成事故。目前變電站內電力電纜大多鋪設在電纜溝內，巡視時需要逐一掀開笨重不透明的水泥預制板，效率低下，巡視質量不高。通過本系統設計，在電纜溝內或電纜線上安裝Zigbee監測設備，通過具有NB-IOT通信的智能控制網關，實時將數據上傳到后臺管理平臺，管理員可以通過移動終端或PC端，本地或遠程實時監測電纜運行狀況，有效避免事故產生，減少損失，直接和間接的提升經濟、社會效益。

二、系統整體框架

系統整體架構主要由智能控制網關和傳感器節點組成，如圖1所示。傳感器節點主要采集電纜溝內的溫濕度，并把數據傳輸到智能控制網關進行數據上傳。智能控制網關是控制系統的核心硬件，通過它實現傳感器節點信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制等功能。

三、系統硬件設計

1、傳感器節點

傳感器節點由傳感器模塊、Zigbee模塊、燈光輸出模塊組成，節點硬件結構如圖2所示。

數據采集模塊采用瑞士Sensirion公司推出的SHT11傳感器，它基于CMOSensTM 技術，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點，同時具有IIC總線接口，方便與通用處理器進行數據交互。

Zigbee模塊是傳感器節點的核心，選擇美國TI公司生產的CC2530芯片。它是2.4GHz的片上系統，遵循IEEE802.15.4標準協議。CC2530內部有8051微控制器、內存、外設、時鐘、電源管理及RF內核控制模擬無線模塊。它通過IIC總線讀取SHT11傳感器的溫濕度數據，并通過無線網絡傳輸到網關。為了使系統工作時間持續長，節點采用間歇式工作方式，系統大部分時間處于休眠狀態。

2、網關硬件設計

智能控制網關是本系統的核心設計，負責內部ZigBee網絡和外部NB-IOT網絡數據轉換。網關的硬件電路主要由ARM Cortex-M3處理器控制器模塊、ZigBee控制模塊、NB-IOT網絡模塊通信、通用輸入輸出口及復位JTAG調試接口構成，智能網關硬件結構如圖3所示。

網關的主控制器采用ST公司的STM32L151芯片。該處理器內部集成了FLASH及RAM，中斷控制器，DMA控制器，時鐘和電源管理，同時內部具有高速USB、IIC、LCD、串口等豐富接口資源，非常適合本系統的設計原理。

NB-IoT是窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things）的縮寫，是一個新興的技術。它構建于蜂窩網絡，只需消耗約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。本系統采用上海移遠公司生產的BC26 NB-IOT模塊，它基于聯發科MT2625芯片平臺研發。支持全球頻段，超小體積僅為17.7x15.8x2.0mm，低供電電壓及豐富的外部接口和網絡協議棧。

四、軟件實現

1、軟件開發平臺

系統軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，良好的軟件設計是實現系統功能的重要環節，也是提供系統性能的關鍵所在。基于通用性及便于開發的考慮，本系統軟件設計使用IARSystems公司的IAR Embeded Workbench集成開發平臺。它是一個完全集成的開發環境，包括C/C++編譯器、工程管理器、編輯器、構建工具以及通用的C-SPY調試器。它在編譯過程中對代碼和速度進行高度優化。更高效率地采用了堆棧，靜態和全局變量。可以把任何數據定義在EEPROM范圍之內，并對大容量的FLASH進行隨機讀取。這套工具提供了相似且直觀的用戶界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的專業嵌入式應用開發工具之一。

2、傳感器節點程序設計

傳感器節點主要實現兩項功能：一是ZigBee網絡與智能網關之間通信，二是進行溫濕度數據采集。圖4為傳感器節點流程圖。其工作流程為：節點上電后進行信道掃描，如果接收到信標幀，則證明當前區域內存在ZigBee網關協調器，便發送入網請求，入網成功后，傳感器節點按間歇式工作進行溫濕度數據采集，并將數據發送給網關協調器。

3、智能控制網關程序設計

智能控制網關實現外網和內部ZigBee網絡的協議轉換，確保網絡間正常通信。采集節點將監控的信息進行打包處理，包括地址信息與檢測到的數據信息，以ZigBee幀的方式無線發送給網關節點。網關節點接收到信息后，對原始數據進行處理，并對數據是否異常進行判斷，再以NB-IOT網絡協議進行打包處理發送。圖5為智能控制網關主程序流程圖。

五、結論

本文提出的基于ZigBee的電纜溝溫濕度采集系統，采用ARM硬件平臺，將Zigbee與NB-IOT物聯網技術相結合的方式，實現對電纜溝內的電力電纜進行溫度、濕度的測量，并通過移動終端或PC端，實時監測電纜及溝內環境狀況。通過實驗證明運用這種解決方案，有很強的實用性，對智能電網的“信息化、數字化、自動化、互動化”發展和建設有重要的推廣意義和巨大的經濟潛力。

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