基于ZigBee和CAN總線的高壓開關柜溫度在線監測預警系統設計

陳凱彬 耿新 郭營生 張寧 陳森

摘 要：高壓開關柜內設備長期運行使線路老化，電阻增大，從而使高壓開關柜內溫度升高，容易造成火災發生，同時由于高壓開關柜內設備布局較為密集，為了便于測量，本文提出了一種通過ZigBee和CAN總線進行信號傳遞的溫度在線監測預警系統。開關柜內的溫度傳感器將采集到的溫度信號首先通過無線網絡ZigBee傳送到分站，經過分站處理后的信號在通過CAN總線傳送到上位機中，上位機對接收的溫度信號進行處理，如果接收到的溫度信號不在正常的設定值范圍，就會發生預警。試驗顯示本文設計的系統信號采集靈敏，有較高的傳輸速度，能在長時間運行的同時保持系統穩定。

關鍵詞：高壓開關柜;ZigBee網絡;監測

高壓開關柜用于在電力系統發電、輸配電、電能轉換中起開關、控制以及保護作用。高壓開關柜的組成主要包括斷路器和柜體兩個部分。高壓開關柜按照柜體結構通常可以分為間隔式開關柜、敞開式開關柜以及金屬封閉箱式開關柜等常用的幾種類型。高壓開關柜內空間有限，但是電氣設備的種類和數量較多，內部布局較為緊湊，因此在通常情況下很難進行開關柜內的人工實時測溫，對于開關柜內的溫度不能實時掌握，同時由于人工手動進行開關柜內的測溫，也帶來了一定的安全問題。

目前高壓開關柜內部的溫度檢測主要有紅外成像技術、紅外信號接觸式測溫技術以及光纖測溫技術等幾種較為常用的高壓開關柜溫度檢測方式。陳新崗等人提出了一種基于聲表面波和ZigBee的高壓開關柜電纜室溫度監測系統，該方法利用熱傳導以及固體力學理論等相關知識獲得溫度分布情況，利用聲表面溫度傳感器采集溫度信息，用ZigBee網絡實現數據傳輸。劉罡設計了一種基于Modbus總線的高壓開關柜多狀態量在線檢測系統。該設計實現了上位機和傳感器的信息通信功能。這些技術都在一定程度上改善了目前的高壓開關柜溫度檢測現狀，但是還不夠完善。由于高壓開關內設備較多，因此單一的溫度監測技術不能對高壓開關柜內的所有設備的周邊溫度進行測量，為了能夠實現多部件周邊溫度實時在線監測，同時為了降低開關柜內的線路布局困難，本文提出了一種基于ZigBee無線網絡和CAN總線的溫度監測預警系統。

ZigBee無線網絡是一種適用于短距離的網絡技術，具有功耗低、成本低、網絡容量大和延時短，數據傳輸安全等顯著優點。本文利用ZigBee技術來實現開關柜內檢測到的溫度信號的傳遞，由于采用無線傳輸技術，因此相關的溫度傳感器能夠較大程度的根據溫度監測需求來在不同位置實行安裝，實現開關柜內溫度的多點測量。

1 溫度監測預警系統結構設計

本文設計的高壓開關柜溫度監測預警系統主要有傳感器，無線溫度監測儀和上位機組成。文中采用目前應用廣泛的DS18B20傳感器來進行高壓開關柜內的溫度采集，將采集到的溫度信號傳送到CC2480中，再通過CC2480將信號經ZigBee無線網絡傳輸到溫度監測儀，溫度監測儀將接收到的信號通過CAN總線傳輸到上位機中，上位機對溫度信號進行分析和處理，如果檢測到的溫度值高于設定的最大溫度值，那么預警裝置啟動。相關工作人員在聽到預警信號后對設備進行檢查，從而及時的處理相關問題，避免帶來生命財產損失。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器選型

溫度傳感器是主要實現將溫度信號轉換成可用于輸出信號的傳感器，溫度傳感器的種類繁多，按照測量方式的不同可以將溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩種類型。本文在綜合考慮了高壓開關柜的內部結構，使用成本，傳感器性能等多方面因素后選擇使用DS18B20傳感器來進行開關柜內溫度的檢測。DB18B20傳感器具有體積較小，抗干擾能力較強，測量精度高等優點，采用獨特的單線接口模式，測量范圍能達到-55℃到+125℃，工作電源在3.0到5.5V/DC，適合在高壓開關柜內進行溫度檢測。

2.2 信號采集模塊

本文設計的溫度監測系統的溫度采集主要選擇DS18B20溫度傳感器來實現。其溫度采集模塊主要包含溫度傳感器，供電電路和控制電路等。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括ZigBee無線傳輸網絡設計和上位機、下位機的軟件設計。

3.1 ZigBee網絡設計

ZigBee網絡是一個基于IEEE802.15.4標準的低功耗的物聯網標準，它主要有三種網絡模型，包括樹型、網型和星型。其中網型結構較為復雜，而星型結構最為簡單。ZigBee有三種設備類型，包括ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備。ZigBee的協議棧有四層組成，包括應用層、網絡層、安全層和MAC層。協調器是ZigBee網絡的核心，負責相關網絡的建設，是上位機和下位機之間進行通信的橋梁，協調器包括電源模塊，仿真借口，CC2480模塊以及串口通信模塊等。

3.2 路由節點軟件設計

路由節點上電后，系統首先進行初始化操作，初始化之后就會進行網絡的搜索，在發現網絡后就會發送入網請求，等到允許加入后就會完成入網工作，入網完成，對其他的節點的加入和數據傳輸申請進行相應的處理。

3.3 上位機軟件設計

上位機主要用來向操作人員提供一個良好的可視化界面，目前主要的開發軟件包括LabVIEW以及組態王等常用軟件，本文選擇使用功能強大，性能完備的組態王軟件來實現上位機界面設計。上位機的軟件設計主要包括監控主畫面設計、參數設定、數據報表以及預警記錄等。

4 結語

本文設計的基于ZigBee和CAN總線的高壓開關柜溫度監測預警系統能夠很好的實現對高壓開關柜內相關監測點的溫度監測，若溫度出現異常，預警系統啟動，工作人員在收到預警信息后可以快速到達地點，對相關設備進行檢查，消除異常情況。結果表明，該監測系統溫度監測精度高，有較強的抗干擾能力。

參考文獻：

[1]林濤.高壓開關柜溫濕度控制器的模塊化設計與實現[J].自動化應用，2018（5）：96-98.

[2]劉罡.基于Modbus總線的高壓開關柜多狀態量在線檢測系統[J].電力信息通信，2018，16（12）：68-72.