摘 要：針對(duì)目前電力設(shè)備溫度檢測(cè)中普遍依賴人工采用紅外成像儀、紅外測(cè)溫儀等儀器進(jìn)行巡檢存在的問題，結(jié)合紅外測(cè)溫探頭和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，研制了一種基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由測(cè)溫裝置和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，測(cè)溫裝置及應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的硬件和系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫；無線通訊；電力設(shè)備；應(yīng)用網(wǎng)關(guān)

引言

電力設(shè)備的有效的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全和效益，變電站中無論哪種設(shè)備出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)若不及時(shí)處理很可能會(huì)發(fā)展成故障，甚至造成設(shè)備損壞或人身事故，而造成不可估量的后果。對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，可使設(shè)備維修費(fèi)減少25%～50%，設(shè)備事故率減少75%，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

紅外檢測(cè)技術(shù)能夠以遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)、快速在線監(jiān)測(cè)方式獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，具有分辨率高、形象直觀、不受電磁干擾、安全可靠和效益/投資比高等優(yōu)點(diǎn)，可以在不停電、不取樣、不解體的狀況下進(jìn)行故障的診斷分析，因此，紅外診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)得到了較廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外大多使用紅外熱成像儀進(jìn)行定期的巡檢，不能達(dá)到實(shí)時(shí)全面動(dòng)態(tài)檢測(cè)，由于紅外熱成像儀大多體積較大，巡檢過程需工作人員攜帶儀器進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。并且價(jià)格非常昂貴，大型變電站方可配備，對(duì)于絕大多數(shù)的小型變電站，或無人值守變電站則發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，本文提出一種基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測(cè)溫系統(tǒng)，既可以避免紅外成像儀成本高，難以廣泛使用等問題，又可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，完成一些人工檢測(cè)難以完成的任務(wù)，從而有利于提高監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性，可實(shí)現(xiàn)變電站的無人值守，同時(shí)也為狀態(tài)檢修提供了數(shù)據(jù)參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測(cè)溫系統(tǒng)主要由紅外測(cè)溫傳感器和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1中虛線框部分所示。紅外測(cè)溫傳感器基于性價(jià)比較高的紅外測(cè)溫技術(shù)，紅外測(cè)溫傳感器與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)之間通過基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，應(yīng)用網(wǎng)關(guān)對(duì)外提供網(wǎng)絡(luò)接口，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與其他終端設(shè)備的通訊。應(yīng)用網(wǎng)關(guān)作為紅外測(cè)溫傳感器與電力系統(tǒng)其他終端的橋梁，一方面實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)化和管理；另一方面實(shí)現(xiàn)與其他終端設(shè)備的通訊接口與數(shù)據(jù)交換。電力系統(tǒng)中的其他終端設(shè)備可通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外測(cè)溫傳感器的透明訪問。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 紅外測(cè)溫傳感器硬件設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫傳感器主要由光學(xué)鏡頭、傳感器芯片、信號(hào)處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)MC9S12XS128、溫濕度測(cè)量電路以及Zigbee接口電路組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。紅外測(cè)溫傳感器芯片將物體發(fā)出的紅外光轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；信號(hào)處理電路對(duì)紅外測(cè)溫傳感器芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大；AD轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)處理電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)Zigbee接口電路的控制；Zigbee接口電路實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的通訊連接；溫度濕度測(cè)量電路用于對(duì)環(huán)境溫度和濕度的測(cè)量，有利于用戶對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

圖2 紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.1 紅外測(cè)溫傳感器芯片和信號(hào)處理電路

紅外測(cè)溫電路由紅外測(cè)溫傳感器芯片和信號(hào)處理電路構(gòu)成，紅外測(cè)溫傳感器芯片選用德國HL-Planartechnik公司生產(chǎn)的TS118-3。TS118-3通過其熱端的吸收區(qū)把引入的紅外線轉(zhuǎn)換電壓成輸出。由于TS118-3輸出信號(hào)很微弱，為達(dá)到使用要求，本系統(tǒng)采用運(yùn)算放大器AD8554進(jìn)行信號(hào)放大。紅外測(cè)溫電路如圖3所示。

圖3 紅外測(cè)溫電路

2.2 溫度濕度測(cè)量電路

圖4 SHT75與MC9S12XS128的電路連接圖

2.3 信號(hào)處理電路

測(cè)溫信號(hào)處理電路由一個(gè)二階有源低通濾波器和一個(gè)同相放大器組成，濾波器和放大器基于雙運(yùn)算放大器芯片OP292，如圖5所示。信號(hào)處理電路接收電磁信號(hào)檢測(cè)電路的檢波輸出，進(jìn)行濾波放大后輸出到單片機(jī)MC9S12XS128的AD輸入端。

圖5 信號(hào)處理電路

3 應(yīng)用網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用網(wǎng)關(guān)主要由Zigbee接口電路、嵌入式系統(tǒng)模塊、以太網(wǎng)接口電路組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，Zigbee接口電路實(shí)現(xiàn)與紅外測(cè)溫傳感器的通訊連接；以太網(wǎng)接口電路實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)其他終端的連接；嵌入式系統(tǒng)模塊是應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的核心，用于對(duì)紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的獲取、處理和管理，以及為其他終端的訪問提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖6 應(yīng)用網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

Zigbee芯片采用TI公司的CC2530芯片。CC2530芯片在單個(gè)芯片上整合了Zigbee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器，其具有不同的運(yùn)行模式，適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)CC2530典型電路設(shè)計(jì)的通信模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7 CC2530通信模塊電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件包括紅外測(cè)溫傳感器軟件、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)軟件和后臺(tái)測(cè)試軟件三部分。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。紅外測(cè)溫傳感器軟件通過傳感器節(jié)點(diǎn)Zigbee通訊接口獲取后臺(tái)測(cè)試軟件通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的下傳的指令，然后由指令處理程序?qū)χ噶钸M(jìn)行解析，根據(jù)指令控制進(jìn)行紅外測(cè)溫。并將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點(diǎn)Zigbee通訊接口，由應(yīng)用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)測(cè)試軟件；應(yīng)用網(wǎng)關(guān)軟件通過以太網(wǎng)通訊接口接收后臺(tái)測(cè)試軟件下傳的指令，并將指令通過協(xié)調(diào)器Zigbee通訊接口轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的紅外測(cè)溫傳感器。同時(shí)，接收紅外測(cè)溫傳感器上傳的紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)通訊接口轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)測(cè)試軟件；后臺(tái)測(cè)試軟件提供人機(jī)接口界面，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)紅外測(cè)溫傳感器的控制，通過以太網(wǎng)通訊接口傳送用戶指令或接收紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的顯示。

圖8 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本文提出一種基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由紅外測(cè)溫傳感器和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)組成，傳感器基于性價(jià)比較高的紅外測(cè)溫技術(shù)，因此成本可以大大降低，適用于中小型變電站和大量的無人值守變電站。而無線通訊技術(shù)的使用，可實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)紅外測(cè)溫傳感器的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。因此本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)化安全監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱故障狀態(tài)檢測(cè)和診斷、設(shè)備檢測(cè)和監(jiān)控等方面功能，將大大提高變電站運(yùn)行安全性、可靠性，并降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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作者簡介：袁輝建（1977-），男，重慶九龍坡，碩士研究生，講師，主研方向?yàn)榛谇度胧较到y(tǒng)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)研究。