基于ZigBee的高壓開關柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

發(fā)電廠、變電站的高壓開關柜內的母線接頭和室外刀閘開關等重要設備，在長期運行過程中，因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱。由于這些發(fā)熱部位的溫濕度沒有得到及時有效的監(jiān)測，往往導致火災和大面積停電等事故的發(fā)生。實現(xiàn)母線接頭和刀閘開關等關鍵部位的溫濕度實時在線監(jiān)測，防止開關過熱，可以顯著地減少此類事故的發(fā)生。在工程實踐中，高壓大電流設備內的接頭部位都具有裸露高壓，因此這些部位的溫濕度很難監(jiān)測，通常的溫濕度測量方法因無法解決高壓絕緣問題而不能使用。

目前，高壓大電流設備內的母線接頭部位溫濕度監(jiān)測的方法主要有紅外測量、光纖測量和無線測量。光纖測量技術采用光導纖維傳輸溫濕度信號，光導纖維具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開關柜內的高壓，因此能夠準確測量高壓觸點的運行溫濕度，實現(xiàn)高壓開關柜內觸點運行溫濕度的實時在線監(jiān)測。然而，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導致光纖表面放電，以及安裝布線煩瑣，大大降低了光纖測量系統(tǒng)的可靠性和使用范圍。紅外測量為非接觸式測量方法，沒有高壓絕緣問題。但它容易受環(huán)境及周圍電磁場的干擾，測量精度低，自動化程度低，往往需要人工定期到高壓大電流現(xiàn)場測試，效率低，風險大。另外，開關柜內的空間非常狹小，時常無法安裝紅外測量探頭(因為探頭必須與被測物體保持一定的安全距離，并需要正對被測物體的表面)。

無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)采用無線電波進行信號傳輸，帶有傳感器的測試模塊安裝在高壓設備表面，與接收設備之間無電氣聯(lián)系，從根本上解決了高壓絕緣問題，測量精度高，并且安裝方便，不受開關柜體結構的限制，是監(jiān)測高壓開關柜溫濕度的理想解決方案。本文提出的高壓開關柜溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee這一新興的無線網(wǎng)絡技術。

2 高壓開關柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

ZigBee無線網(wǎng)絡技術是一種近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，其數(shù)據(jù)傳輸速率在10～250 kb／s之間，兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間的單跳距離為10～75 m，射頻發(fā)射功率低，再加上處理器支持多種休眠模式。一節(jié)普通容量的鋰電池能保證網(wǎng)絡節(jié)點正常工作1～3年，成本低，網(wǎng)絡節(jié)點容量大，具有自組網(wǎng)，自動路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免執(zhí)照頻段。它是實現(xiàn)高壓開關柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的理想解決方案。

2.1 硬件設計

本文提出的高壓開關柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計基于TI公司推出的符合ZigBee技術標準的CC2430芯片。射頻部分的原理圖設計在典型電路的基礎上做了少量修改?？紤]到系統(tǒng)工作在高壓大電流環(huán)境，為避免引起尖端高壓放電，網(wǎng)絡節(jié)點采用印刷電路板天線或者陶瓷天線。ZigBee網(wǎng)絡包括協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點3種網(wǎng)絡設備。終端節(jié)點帶有溫濕度傳感器，是主要的感測節(jié)點，放置在高壓開關柜內。開關柜內往往不允許布置額外的電纜，同時終端節(jié)點支持休眠模式，因此采用電池供電。協(xié)調器和路由器節(jié)點因為需要給其他網(wǎng)絡節(jié)點提供路由傳遞數(shù)據(jù)報功能，因此采用市電供電，使協(xié)調器和路由器節(jié)點永遠處于工作狀態(tài)。

系統(tǒng)的溫濕度檢測采用瑞士SENSIRION公司推出的基于CMOSens技術的新型數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71。它是一款將溫濕度傳感器、信號放大調整器、模／數(shù)轉換器和總線接口全部集成在一個芯片上的單片全校準數(shù)字輸出傳感器，可以提供-40～120范圍內分辨率為14 b的溫度測量以及0～100％范圍內分辨率為12 b的濕度測量。SHT71采用串行接口與微處理器相連，它的串行時鐘輸入線SCK和串行數(shù)據(jù)線DATA直接與微處理器CC2430的通用／輸出口線相連，電路原理圖如圖1所示。串行時鐘輸入線SCK與微處理器保持通信同步，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)。其控制流程如下：微處理器用1組“啟動傳輸”時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟又l(fā)送1組測量命令后，釋放DATA數(shù)據(jù)線，等待SHT71下拉DATA數(shù)據(jù)線至低電平，表示測量結束，微處理器讀出測量值后，可根據(jù)式(1)、式(2)計算出相對濕度和溫度值：

式(1)是相對濕度的計算公式，是微處理器讀到的濕度值，參數(shù)的值如表1所示。

式(2)是溫度的計算公式，是微處理器讀到的溫度值，參數(shù)的值如表2所示。

2.2 軟件設計

軟件設計基于T1公司推出的ZigBee協(xié)議棧的最新版本Z-Stack 1.4.2。ZigBee網(wǎng)絡設備根據(jù)功能的不同可以分為協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點。終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡，成為協(xié)調器或者路由器的子節(jié)點后，可以主動向網(wǎng)絡中的任何節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)報，也可以詢問它的父節(jié)點是否有發(fā)送給它的數(shù)據(jù)報并接收。路由器包含終端節(jié)點的所有功能，此外還可以作為父節(jié)點允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，給網(wǎng)絡中的其他節(jié)點路由轉發(fā)數(shù)據(jù)報，對邏輯網(wǎng)絡地址進行分配，維護鄰居設備表等。協(xié)調器除了包含路由器的所有功能外，還包括創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡的功能。新建網(wǎng)絡的流程如圖2所示。

協(xié)調器通過NLME-NETWORK-FORMA-TION.request原語來啟動一個新網(wǎng)絡的建立過程。然后網(wǎng)絡層請求MAC層對協(xié)議所規(guī)定的信道或由物理層所默認的有效信道進行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。網(wǎng)絡層收到成功的能量檢測掃描結果后，以遞增的方式對所測量的能量值進行排序，并舍棄那些能量值超出許可范圍的信道。如果網(wǎng)絡層找到了合適的信道，則為新建的網(wǎng)絡選擇一個PAN標識符，接著選擇0x0000作為協(xié)調器的網(wǎng)絡地址。當網(wǎng)絡層選定網(wǎng)絡地址后，通過向MAC層發(fā)送MLME-START.request原語完成ZigBee網(wǎng)絡的創(chuàng)建過程。ZigBee網(wǎng)絡支持星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡結構，其中網(wǎng)狀網(wǎng)的任意兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間都可以進行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)報的流程如圖3所示。

2.3 低功耗設計

由于高壓開關柜內是一種高電壓、大電流的環(huán)境，而且一旦開始工作不能輕易停止，因此終端節(jié)點的低功耗特性，也就是一節(jié)普通鋰電池能夠維持終端節(jié)點正常工作的時間長短是決定整個方案成敗的關鍵。TI公司的ZigBee解決方案從硬件和軟件上保證ZigBee終端節(jié)點具有良好的低功耗特性。ZigBee芯片CC2430是真正意義上的系統(tǒng)單芯片，在單一硅片上集成了處理器內核、射頻收發(fā)器和各種外設，根據(jù)工作頻率的不同以及外設是否處于工作狀態(tài)，CC2430可以工作在PM0，PM1，PM2和PM3四種低功耗模式，流耗依次降低，工作在PM3模式下時，流耗最低可達0.6 A。Z-Stack協(xié)議棧也對低功耗做了很好的支持。ZigBee網(wǎng)絡中的終端節(jié)點不具備路由功能，處于空閑狀態(tài)時，它的射頻部分可以關閉，微處理器可以工作在低功耗的休眠模式。網(wǎng)絡中的其他節(jié)點發(fā)給終端節(jié)點的數(shù)據(jù)報，可以先存儲在它的父節(jié)點，終端節(jié)點每次退出休眠模式后，主動詢問它的父節(jié)點，是否有它的數(shù)據(jù)報。Z-Stack協(xié)議棧支持LITE sleep和DEEP sleep兩種低功耗實現(xiàn)方式。其中，在LITE sleep模式下，終端節(jié)點能主動退出低功耗模式，完成諸如傳感器數(shù)據(jù)的讀取并發(fā)送的任務；在DEEP sleep模式下，終端節(jié)點必須由外部中斷信號(如按鍵事件)喚醒。根據(jù)實際工程應用的需要，本文的高壓開關柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的終端節(jié)點采用LITE sleep低功耗模式。

3 現(xiàn)場試用結果

本文設計的基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)在變電所的電容式高壓開關柜內進行了現(xiàn)場試用，安裝情況如圖4所示。每個開關柜內布置8～10個ZigBee終端測試節(jié)點，用于測試開關觸點和母線連接部位的溫濕度，整個配電室內的所有測試節(jié)點通過路由節(jié)點組成一個ZigBee網(wǎng)絡。終端測試節(jié)點大部分時間處在休眠狀態(tài)，每隔5 min醒來1次，讀取傳感器溫濕度值，并發(fā)往ZigBee網(wǎng)絡中的協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器可以通過串口、以太網(wǎng)或GPRS等多種接口方式將測量數(shù)據(jù)發(fā)往后臺管理數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)在不更換終端節(jié)點電池的前提下，已經(jīng)連續(xù)正常工作10個月，預計可以正常工作3年以上。

4 結 語

本文針對高壓開關柜開關觸點和母線連接等部位溫濕度監(jiān)測的迫切性及工程現(xiàn)場的特點，提出了一種基于ZigBee技術的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對開關柜內關鍵點位溫濕度監(jiān)測，有效地防止了重大事故的發(fā)生。系統(tǒng)實現(xiàn)成本低廉、安裝方便、終端節(jié)點功耗低、工作穩(wěn)定、具有很強的工程實用性和市場推廣價值。