于本成 許小媛

摘 要：電力設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于連接部位溫度過(guò)高等原因造成事故發(fā)生，文章完成的智能無(wú)限溫度預(yù)警系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備溫度的預(yù)警降低了事故損失，工作包括了節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與測(cè)試。預(yù)警系統(tǒng)將信息采集模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊及其外圍電路、上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件等通過(guò)ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，將終端節(jié)點(diǎn)采集到的信息通過(guò)ZigBee射頻模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，同時(shí)，協(xié)調(diào)器通過(guò)USB與監(jiān)控主機(jī)相連，利用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

關(guān)鍵詞：預(yù)警系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)；信息采集；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP 393.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

ZigBee是應(yīng)用于短距離低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，其基礎(chǔ)是IEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。比之其他近距離通信技術(shù)，ZigBee有著其他技術(shù)無(wú)法相比的優(yōu)勢(shì)，它可以方便的嵌入到各種設(shè)備中，主要適用于自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域[1]。

ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分[2]：

（1）能耗低：ZigBee網(wǎng)絡(luò)不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)是處于休眠模式的，只有當(dāng)工作時(shí)才會(huì)被喚醒。

（2）成本低：ZigBee通信模塊價(jià)格在40RMB左右。

（3）低工作速率：20—250kbps。

（4）距離近：每個(gè)節(jié)點(diǎn)工作距離大概在10—100m，增加RF發(fā)射功率后，能增加到1—3km。

（5）時(shí)延短：休眠和工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需15ms，入網(wǎng)約30ms。

（6）網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個(gè)設(shè)備，也就是說(shuō)，每個(gè)Zigbee設(shè)備可以與另外65535臺(tái)設(shè)備相連接。

（7）高安全性：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性。

（8）優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Γ篫igBee具有星型、樹(shù)型和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且ZigBee無(wú)線網(wǎng)路具有自組織和自愈的能力。

2 電力設(shè)備智能無(wú)線預(yù)警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（Hardware system design of intelligent wireless

warning system for electric power equipment）

2.1 ZigBee無(wú)線芯片

CC2530能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，應(yīng)用了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU，具有開(kāi)發(fā)難度低的SoC特性，CC2530同時(shí)適用工作頻率2.4GHz的其他設(shè)備[3]。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/CC2530F64/CC2530F128/CC2530F256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有各種不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530芯片部分的參數(shù)如下：（1）可最大化通信范圍的101dbm鏈路預(yù)算；（2）可最小化干擾源影響的業(yè)界一流的選擇性；（3）靈活的低功耗模式；（4）功能強(qiáng)大的五通道DMA引擎；（5）可用于遠(yuǎn)程控制得IR生成電路；（6）可編程輸出功率達(dá)+4dbm。CC2530開(kāi)發(fā)板的硬件組成如圖1所示。

2.2 ZigBee無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都是基于ZigBee的無(wú)線通信模塊。這三類節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)相似，只有在功能上不同。其中終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)杜邦線連接了溫濕度傳感器、煙霧傳感器，傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后接到CC2530引腳，CC2530通過(guò)射頻天線發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。無(wú)線通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無(wú)線通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.2 Hardware structure of wireless

communication module

2.3 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的作用是自動(dòng)采集周圍環(huán)境中的溫濕度信息，并將信息傳回協(xié)調(diào)器及上位機(jī)。本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器是一種數(shù)字溫濕度傳感器—DHT11。

DHT11溫濕度傳感器是一款擁有自己專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)的包含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，有著高可靠性和穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)部包括電感式感濕元件和NTC測(cè)溫元件，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)到環(huán)境中溫濕度的數(shù)據(jù)，內(nèi)部元件與高性能8位單片機(jī)相連，使其具備了響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)，可應(yīng)用在多種場(chǎng)所[4]。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器連接方法簡(jiǎn)單，采用4引腳的結(jié)構(gòu)。第一腳連接的是電源正極；第四腳連接的是電源地端；數(shù)據(jù)端連接在第二腳上，直接與CC2530的I/O口相連，第三腳為空腳。其實(shí)物圖如圖3所示。

2.4 煙霧傳感器模塊

本系統(tǒng)通過(guò)煙霧傳感器檢測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度，以此判定是否發(fā)生火災(zāi)。煙霧傳感器的主要作用就是檢測(cè)環(huán)境中是否含有有害煙霧，如火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的濃煙。本系統(tǒng)選用的是MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器使用的是SnO2（二氧化錫）金屬氧化物半導(dǎo)體材料，屬于N型半導(dǎo)體材料。當(dāng)周圍環(huán)境中存在由燃燒物燃燒產(chǎn)生的有害氣體時(shí)，內(nèi)部的電導(dǎo)率隨著煙霧濃度增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號(hào)[5]。

MQ-2煙霧傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可探測(cè)液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、CO、氫氣、煙霧等有害氣體。傳感器采用旁熱式氣敏器件，內(nèi)部有加熱器，為氣敏元件提供工作環(huán)境。封裝好的氣敏元件有六只針狀管腳，其中兩個(gè)引腳提供加熱電流[6]，其余四個(gè)用于信號(hào)取出。其實(shí)物圖及電路圖如圖4和圖5所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試與分析（Test and analysis of system

operation）

3.1 系統(tǒng)測(cè)試的目的

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用的是ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，無(wú)需布線。在指定位置安裝帶有溫濕度傳感器和煙霧傳感器、蜂鳴器的終端節(jié)點(diǎn)，利用這些終端節(jié)點(diǎn)采集相應(yīng)的溫濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee的射頻模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送到中央位置的路由器節(jié)點(diǎn)，由路由器將收到的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)串口與監(jiān)控主機(jī)相連，以此實(shí)現(xiàn)報(bào)警，從而監(jiān)控整個(gè)電力系統(tǒng)。

本系統(tǒng)將各個(gè)具有不同功能的節(jié)點(diǎn)分散在不同位置，使其自組網(wǎng)成為一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。目的是獲取周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。其中匯聚節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器，接受來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的信息并進(jìn)行分析傳輸；而接有傳感器的節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，

進(jìn)行信息的采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。節(jié)點(diǎn)采用寫(xiě)入ZigBee的相關(guān)協(xié)議棧的CC2530開(kāi)發(fā)板。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試的過(guò)程如下：（1）預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行，串口為COM5，此時(shí)煙霧傳感器沒(méi)有亮，即為沒(méi)有檢測(cè)到有害氣體，溫濕度沒(méi)有達(dá)到臨界值，狀態(tài)顯示為不報(bào)警，蜂鳴器不響，報(bào)警燈不亮。（2）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有害氣體時(shí)，煙霧顯示為“有”，但是溫度、濕度沒(méi)有達(dá)到所設(shè)定的30℃和70%RH時(shí)，報(bào)警器依然不工作。（3）此時(shí)，煙霧傳感器MQ-2檢測(cè)到有有害氣體，并且溫濕度傳感器檢測(cè)到溫度達(dá)到30攝氏度，濕度也達(dá)到70%RH的臨界值，報(bào)警燈工作，蜂鳴器發(fā)出響聲。

結(jié)果分析：由以上運(yùn)行過(guò)程可知，當(dāng)溫濕度與煙霧的條件同時(shí)為真時(shí)，報(bào)警燈工作，蜂鳴器鳴叫。以此提示管理人員對(duì)于系統(tǒng)發(fā)生的火災(zāi)采取急救措施，減少人員和財(cái)產(chǎn)的損失。兩個(gè)條件的關(guān)系為“與”。當(dāng)單一條件滿足時(shí)，即兩個(gè)條件結(jié)構(gòu)有一個(gè)為假，一個(gè)為真時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)報(bào)警。例溫濕度達(dá)到臨界值，但是煙霧傳感器檢測(cè)不到有害氣體，系統(tǒng)是不工作的，蜂鳴器不會(huì)響。

4 結(jié)論（Conclusion）

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的溫度預(yù)警系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)溫度檢測(cè)方式，利用了ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)，大大節(jié)省了人力物力，終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到溫度與煙霧同時(shí)為真時(shí)再利用蜂鳴器的聲音報(bào)警，提高了溫度預(yù)警的實(shí)時(shí)性與可靠性。

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作者簡(jiǎn)介：

于本成（1981-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

技術(shù).

許小媛（1980-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)軟件

應(yīng)用.