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；

Abstract：By using ZigBee and NB-IOT communication technology， the system collects the temperature and humidity of the power cable in the substation， and reports back to the backstage management platform in real time， through the remote monitoring of the mobile terminal or PC terminal to ensure the stable and reliable operation of the power cable. The system could avoid the accidents of fire and short circuit， and it has certain popularization value.

Key words：ZigBee； Temperature and humidity sensor； NB-IOT； Cable trench

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?；谕ㄓ眯约氨阌陂_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。

參考文獻

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