基于ZigBee的高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

趙應(yīng)艷

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引 言

高壓開關(guān)柜是變電站重要的電力設(shè)備，起著分配電能、線路故障保護(hù)、控制負(fù)荷、運行電量監(jiān)控等作用。高壓開關(guān)柜在運行過程中，由于電流過大或接觸不良等問題常常出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至引發(fā)火災(zāi)，造成重大的安全事故。因此，需要對開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生過熱狀況時能夠及時處置，確保開關(guān)柜正常運行。

1 溫度測量技術(shù)概述

紅外測溫技術(shù)是一種利用光學(xué)設(shè)備采集待測部位熱紅外輻射數(shù)值，然后通過信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成具體溫度值的測溫方法。該方法要求采集設(shè)備要對準(zhǔn)待測部位，受干擾因素多，不能實現(xiàn)實時在線監(jiān)控功能，如圖1所示。無線測溫技術(shù)是通過無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，屬于接觸式測溫，原理是將溫度傳感器安裝在需測溫的部位，在距設(shè)備一定范圍的地方放置數(shù)據(jù)接收器，可實時監(jiān)測待測點的溫度。光纖測溫技術(shù)是利用光纖的拉曼散射及布喇格效應(yīng)，將調(diào)制后的光通過光纖傳遞給光纖傳感器，產(chǎn)生與溫度相對應(yīng)的脈沖光信號，然后對信號進(jìn)行處理和分析，從而測出被測物體的溫度。每種測溫技術(shù)都具有自己的特點和優(yōu)勢，可以根據(jù)實際情況選擇具體的測溫方法，各種方法綜合性能比較如表1所示。

圖1 紅外測溫法

表1 不同測溫方式特點

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本、安全可靠的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)以IEEE協(xié)議為主要依據(jù)，采用擴(kuò)頻技術(shù)，以2.4 GHz為主要頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率在10～250 kb/s，射頻發(fā)射功率低，支持多種休眠模式。一節(jié)普通容量的鋰電池能夠使用1～3年，成本低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大，具有自組網(wǎng)、自動路由和自愈功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可分為完整功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）[1]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由溫度采集器、數(shù)據(jù)集中器、監(jiān)控主機(jī)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫度采集器用于采集溫度數(shù)據(jù)，直接感知觸頭附近的溫度變化，將溫度的變化變換成電信號，由內(nèi)部的ZigBee芯片通過射頻發(fā)射電路向外發(fā)射信號，數(shù)據(jù)集中器內(nèi)部的ZigBee芯片接收，信號經(jīng)過微處理器進(jìn)行存儲、處理和分析以后，就可以得到被測點的溫度值，為工作人員實時提供開關(guān)柜運行狀況。當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部溫度超過設(shè)定閾值或發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，提示工作人員及時處理[2]。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要由ZigBee溫度采集器模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以及帶GPRS的數(shù)據(jù)集中器組成，其中ZigBee溫度采集器模塊主要用于采集開關(guān)柜各觸頭的溫度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)以射頻調(diào)制方式傳遞給數(shù)據(jù)集中器，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。溫度采集器主要包括數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）、ZigBee芯片（CC2530）以及供電電源，如圖3所示。

圖3 溫度采集器結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括溫度采集器、數(shù)據(jù)集中器及監(jiān)控主機(jī)三個部分的軟件設(shè)計。溫度采集器和數(shù)據(jù)集中器的軟件設(shè)計主要采用VC++語言編寫。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括ZigBee溫度采集器軟件設(shè)計，采集溫度處理軟件設(shè)計，報警、鍵盤及串口等接口軟件設(shè)計，上位機(jī)軟件設(shè)計。以ZigBee溫度采集器軟件工作情況為例，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后通過溫度傳感器采集各節(jié)點溫度，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給處理器處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，其工作流程如圖4所示[3]。

圖4 溫度采集器工作流程

4 測 試

利用VC++語言編寫基于ZigBee的開關(guān)柜在線溫度測控系統(tǒng)軟件，監(jiān)控界面可以進(jìn)行串口、波特率、是否校驗、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)流等參數(shù)設(shè)置，設(shè)置溫度報警閾值為30度，對5個不同觸點進(jìn)行溫度監(jiān)測，如圖5所示。

圖5 開關(guān)柜在線溫度測控系統(tǒng)軟件

結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以有效測量各測點溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時，會發(fā)出預(yù)警信息，說明所建測控系統(tǒng)滿足溫度實時在線監(jiān)控要求。

5 結(jié) 論

本文首先比較了現(xiàn)有測溫方式的特點，并根據(jù)高壓開關(guān)柜實際工作狀況，設(shè)計了基于ZigBee的無線溫度測溫監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳及上位機(jī)監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)顯示、報警以存儲。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部溫度，測溫精度高，可幫助工作人員實時掌握開關(guān)柜運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，滿足設(shè)計要求。