張婷婷（山東青年政治學院信息工程學院，250014）

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基于zigbee技術的電力無線傳感溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)

張婷婷
（山東青年政治學院信息工程學院，250014）

摘要：闡述了基于zigbee協(xié)議的電力無線傳感溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)，將ZigBee 技術與傳感器技術結合，應用于電力溫度數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)中。將終端節(jié)點采集到的溫度信息，以無線通信方式傳送到網(wǎng)關，并通過串口將數(shù)據(jù)上傳到 PC機，從而實現(xiàn)電力溫度采集監(jiān)測功能。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；zigbee協(xié)議；溫度采集；CC2430

本文側(cè)重闡述無線電力溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計。節(jié)點采用模塊化設計思想，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、電源模塊和無線射頻模塊。系統(tǒng)通過連續(xù)監(jiān)測高壓開關柜內(nèi)觸點和電纜接頭的運行溫度，確定觸點和接頭處的過熱程度，當溫度超過預先設置的閥值時，發(fā)出警報指示。

1　系統(tǒng)架構

圖1　系統(tǒng)結構圖

本文的無線電力溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計采用了新興的2.4G無線通信和WSN技術，將ZigBee 技術與傳感器技術相結合，組建了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤。無線傳感網(wǎng)絡的監(jiān)測區(qū)域中有諸多傳感器節(jié)點，每個傳感器節(jié)點都能實現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能，并通過無線通信方式組成網(wǎng)絡。短距離無線通信網(wǎng)絡技術主要包括以下幾種：WiFi 技術、藍牙技術、紅外和ZigBee 技術等。Zigbee技術與其他相比，有低復雜度、低功耗、低傳輸速率、低成本等諸多優(yōu)點。

系統(tǒng)由無線溫度傳感器、無線測溫儀、無線網(wǎng)關和計算機組配軟件構成。通過連續(xù)監(jiān)測高壓開關柜內(nèi)觸點或電纜接頭的運行溫度，確定觸點和接頭處的過熱程度，當發(fā)生超溫時，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報指示。

開關柜無線測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)在無中繼器的情況下，可由多達 256個 GW6803型無線測溫儀組成一個無線測溫網(wǎng)絡，每臺 GW6803型無線測溫儀集成了無線網(wǎng)關功能，它可接入256只GW6802型無線溫度傳感器。該溫度采集監(jiān)測網(wǎng)絡不是以一個獨立的通信網(wǎng)絡形式存在，監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測中心主機進行分析和顯示，這就需要ZigBee無線網(wǎng)關，實現(xiàn)ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的互聯(lián)，擔當ZigBee 網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的中心監(jiān)測計算機通過GW6803型無線網(wǎng)關在線接收所有無線溫度顯示儀所測量的溫度。圖3-1為開關柜無線測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖。

2　系統(tǒng)的硬件功能模塊

2.1GW6802型無線溫度傳感器

2.1.1無線溫度傳感器的功能

溫度傳感器節(jié)點負責采集溫度信息和數(shù)據(jù)的預處理，而后傳輸?shù)絑igBee 的無線測溫儀GW6803。擁有中繼器的節(jié)點還具有路由的功能，轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)。

無線溫度傳感器負責采集各監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)向無線溫度顯示儀輸送。無線溫度采集節(jié)點采用低功耗設計，休眠一段時間然后將其喚醒，采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，并立即將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線的形式發(fā)送到測溫儀，數(shù)據(jù)傳送完畢之后節(jié)點進入休眠狀態(tài)，等待下一個周期的喚醒采集數(shù)據(jù)。測溫儀經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后將節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡芯片傳送到互聯(lián)網(wǎng)上，這樣使得監(jiān)控人員在監(jiān)控室的電腦上就可以實時的監(jiān)測到各個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。

2.1.2無線溫度傳感器的組成

無線溫度傳感器節(jié)點由下列部分組成:符合IEEE 802.15.4 標準的2.4 GHz 的射頻（RF）收發(fā)器的CC2430無線單片機；數(shù)字式溫、濕度傳感器SHT10 。數(shù)字式溫、濕度傳感器SHT10 直接通過I2C總線與CC2430 單片機接口，用CC2430單片機I /O 口模擬I2C 總線，沒有另外增加專門的I2C 總線控制器，減少硬件成本。

（1）cc2430

采用CC2430作為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的核心。CC2430芯片是CHIPCON公司設計的世界上第一款符合ZigBee標準的2.4GHz射頻單芯片系統(tǒng)。廣泛應用于各種ZigBee標準的無線網(wǎng)絡節(jié)點，包括相關的協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備等。CC243O芯片有功能強大的集成開發(fā)環(huán)境IAR，它結合了chipcon公司全球?qū)戇M的ZigBee協(xié)議棧設計，并包含豐富的工具包和參考工具，是全球領先的ZigBee技術解決方案。它的內(nèi)部集成了增強型8051內(nèi)核MCU、FLASH、和其他IEEE802.15.4協(xié)議中需要的所有硬件。

（2）SHT10

SHT10 是一款高度集成的溫、濕度傳感器芯片，提供全量程標定的數(shù)字輸出（該系統(tǒng)我們只實現(xiàn)溫度監(jiān)測功能，那濕度數(shù)據(jù)我們直接刪除即可）。該傳感器具有精度高（ 濕度RH 精度為±2.0%，溫度T精度為±0.4℃）、低功耗、響應時間快、抗干擾能力強等特點。SHT10 數(shù)字式傳感器具有CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗和I2C 總線數(shù)字接口，可以很方便的與其他微處理器、微控制器系統(tǒng)直接連接，增加了對傳感器接口開發(fā)的可靠性和方便性。

為使傳感器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直觀的物理單位量，要進行數(shù)據(jù)變換處理。

SHT10 傳感器溫度輸出具有極好的線性，可用如下公式將傳感器的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為實際溫度值:

Temperature = d1 +d2 ?SOT

Temperature——實際溫度值，℃

SOT——傳感器輸出數(shù)字量

d1、d2為溫濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)，d2為精度補償。

（3）CC2591

CC2591 是一款高性能的低成本前端的2.4G功放芯片，可以配合CC2430/31使用，使傳輸距離由100米增加到1000米。該器件可為TI 所有當前及未來 2.4GHz RF 收發(fā)器、發(fā)送器以及片上系統(tǒng)產(chǎn)品提供無縫接口，可以改善 RF 性能。

CC2591 集成了低噪聲放大器、功率放大器、平衡轉(zhuǎn)換器（balun）、交換機、電感器和 RF 匹配網(wǎng)絡等。這種集成度顯著簡化了高性能設計工作，使客戶能用極少的外部組件開發(fā)出高輸出功率的無線解決方案。

該方案中采用TI公司的cc2430配合cc2591的方案，使用cc2591可以增強cc2430的發(fā)射功率，讓cc2430的發(fā)射功率達到21dbm，在空曠環(huán)境下實際測量該模塊的的發(fā)射距離在500m以上。

2.2GW6803無線測溫儀（無線網(wǎng)關）

測溫儀與采集節(jié)點之間通過ZIGBEE協(xié)議進行通信，節(jié)點將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到無線測溫儀，再由測溫儀將數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上同時將數(shù)據(jù)上傳到本地計算機，由本地以及遠程的監(jiān)控人員監(jiān)控現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)信息。

無線網(wǎng)關是通過USB供電的“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)站”，無線測溫儀主要負責顯示和轉(zhuǎn)發(fā)無線溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過USB線纜直接連接到監(jiān)測中心的計算機上即可。同時，當溫度數(shù)據(jù)超過設定標準（閥值）時，顯示儀會通過聲光方式報警。無線測溫儀可以顯示6個溫度采集節(jié)點。根據(jù)用戶的實際情況，選擇安裝在墻壁或機柜上。

該無線溫度監(jiān)測網(wǎng)絡并不是以獨立的通信網(wǎng)絡形式存在，網(wǎng)絡中監(jiān)測的溫度信息需要發(fā)送到監(jiān)測中心主機進行分析和顯示。GW6803無線測溫儀（無線網(wǎng)關）實現(xiàn)ZigBee 無線監(jiān)測網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的互聯(lián)，并擔當ZigBee 網(wǎng)絡和以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關由下列部分組成:內(nèi)部集成符合IEEE 802.15.4 標準的2. 4 GHz的射頻（RF）收發(fā)器的CC2430 無線單片機；采用ARM 核的S3C2440 微控制器等。CC2430無線接收到的溫度數(shù)據(jù)通過串口傳送給ARM，ARM將數(shù)據(jù)處理之后傳送到互聯(lián)網(wǎng)上，以方便監(jiān)控人員通過電腦對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的適時監(jiān)控。無線網(wǎng)關的接收采用CHIPCON公司的CC2430單片機， S3C2440微控制器采用ARM920T內(nèi)核。

（1）網(wǎng)關部分的電源供電電路

網(wǎng)關的電源供給采用直流5V電源通過電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117-3.3，將5v的直流電壓轉(zhuǎn)化成3.3v電壓。5v的電源主要是s3c2440芯片和網(wǎng)關板上的顯示屏的供給電壓，而3.3v則是cc2430和cc2591芯片的供給電壓。

（2）充電電路

插上直流電的情況下，電池處于充電狀態(tài)，斷電后，由電池給設備供電。

圖2　網(wǎng)關電池的充電電路

（3）升壓電路

網(wǎng)關大部分時間是由220v交流轉(zhuǎn)5v直流電源供電的，為防止有緊急掉電情況的發(fā)生，在網(wǎng)關板上陪上了一個3.3v的電池，以防止在直流電掉電的情況下，可以由電池短時間的給網(wǎng)關供電，以防止網(wǎng)關掉電之后的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。電池的3.3v電經(jīng)過max1674芯片轉(zhuǎn)為5v電。5v依然供給s3c2440芯片和顯示屏。3.3v供給cc2430芯片和cc2591芯片。

（4）CP2102電路

網(wǎng)關上通過CP2102芯片轉(zhuǎn)換，通過連接USB線的方式在電腦上產(chǎn)生一個串口，將ARM處理后的數(shù)據(jù)傳給電腦，再通過電腦將數(shù)據(jù)顯示出來，以方便監(jiān)測。這樣就以USB接口取代的DB-9的接口方式，給網(wǎng)關的設計上節(jié)省的很大的空間，使網(wǎng)關板顯得更加的小巧，輕便。

（5）E2PROM電路及其他

AT24C04芯片是Atmel公司的I2C總線的E2PROM，通過ARM管腳模擬I2C總線方式去對24lc04進行讀寫操作。24lc04在網(wǎng)關中主要用來存放用戶的一些配置信息。

圖3　AT24LC04

網(wǎng)關上還配有一個SD卡，在網(wǎng)絡環(huán)境差的情況下，或者網(wǎng)絡斷開的情況下，網(wǎng)關將會把所有接收到的數(shù)據(jù)存放的SD卡中，一旦測溫儀網(wǎng)關監(jiān)測到網(wǎng)絡連接上的時候，就會將存儲在SD卡中的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡上，這樣保證每個時刻的數(shù)據(jù)都不會丟失，并且監(jiān)測人員可以方便的從電腦上查詢到歷史信息。

網(wǎng)關上還配有蜂鳴器電路，當溫度數(shù)據(jù)超過設定值的時候蜂鳴器會發(fā)出鳴叫聲，提醒在現(xiàn)場的人員有報警數(shù)據(jù)，要立刻進行處理。

3　總結

本文主要闡述了基于ZigBee無線自組網(wǎng)技術的無線電力溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計。首先明確了系統(tǒng)的總體架構，然后對各個硬件功能模塊的設計分別進行了詳細介紹。經(jīng)過測試，系統(tǒng)可實現(xiàn)快速組網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信等功能，且工作穩(wěn)定，能及時、準確采集、監(jiān)測各傳感節(jié)點的溫度值。

參考文獻

［1］ 孔祥濤，林明星，周生良，楊文豪.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.機床與液壓，2014（11）.

［2］ 周瑞雙，王春新，王煥娟，李朝峰. 基于傳感技術與Zigbee的變電站設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力科學與工程，2012（07）.

圖4　SDCARD

Hardware-based zigbee power wireless sensor technology Temperature Monitoring System Design and Implementation

Zhang Tingting
（Department of Information Engineering，Shandong Youth University of Political Science，250014）

Abstract：The hardware power wireless sensor temperature monitoring system based on zigbee protocol design and implementation of the ZigBee technology with sensor technologies， used in power temperature data acquisition and monitoring system. The terminal node temperature collected information to a wireless communication system to the gateway，and uploading data through the serial port to the PC， enabling power temperature acquisition monitoring.

Keywords：Wireless sensor networks；zigbee protocol；Temperature acquisition；CC2430