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        基于Zigbee的電纜頭溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)

        2016-12-31 00:00:00高振華
        科技創(chuàng)新與應用 2016年13期

        摘 要:結(jié)合電力電纜接頭易發(fā)熱而引發(fā)的故障問題,構(gòu)建了一套基于Zigbee無線通信技術(shù)的電纜頭溫度檢測系統(tǒng),實現(xiàn)對電纜頭無線測溫與遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?,借助于Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡,對各處溫度加以收集,并傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺,一旦電纜頭溫度異常,將會提前加以預警,避免故障擴大,提升了系統(tǒng)運行過程的安全性、可靠性。

        關(guān)鍵詞:Zigbee;電纜頭;溫度檢測系統(tǒng)

        就供電系統(tǒng)而言,電力電纜供電的應用越來越廣泛,與此同時,故障檢修率也呈逐年上升的趨勢。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,電力電纜頭所引發(fā)的事故約占電纜事故的60%以上。在電力電纜輸電電網(wǎng)之中,平均每300m處就有一處電纜頭,因此,構(gòu)建電纜頭溫度檢測系統(tǒng),對于及時掌握電纜頭故障情況,避免火災事故發(fā)生和擴大具有十分重要的意義。

        1 Zigbee無線通信技術(shù)概述

        作為一種短距離、復雜度低、成本低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低的雙向無線通信網(wǎng)絡技術(shù),Zigbee是一組以IEEE802.15.4無線標準為基礎(chǔ)所研發(fā)的組網(wǎng)、安全、應用軟件等相關(guān)通信技術(shù)。該技術(shù)提供星形網(wǎng)、對等網(wǎng)、混合網(wǎng)等三大類網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),且各網(wǎng)絡均有其獨特的優(yōu)勢。作為一種以主器件為網(wǎng)絡中心的拓撲結(jié)構(gòu),星形網(wǎng)提供全網(wǎng)協(xié)調(diào)工作,其他主器件、從器件均分布在覆蓋范圍之內(nèi)。對于此種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)而言,實現(xiàn)控制、同步均十分輕松,多用于設(shè)備量不多的場合。就對等網(wǎng)而言,其主要包括點對點、簇樹形兩大類,主要由主器件相連而成,該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可靠性更高。星形網(wǎng)、對等網(wǎng)二者可組合,形成混合網(wǎng),不同子網(wǎng)內(nèi)部采用星形實現(xiàn)連接,主器件則采用對等方式實現(xiàn)連接?;旌暇W(wǎng)多用于對網(wǎng)絡要求較為復雜的情況下,通常在應用環(huán)境中具有更強的實用性。

        就Zigbee網(wǎng)絡而言,其具有全功能、精簡功能設(shè)備——FFD、RFD。對于FFD而言,其提供各種標準定義下的各種功能、特性,而對于RFD而言,其不僅功能簡潔,而且對于存儲器容量的要求很少。FFD可實現(xiàn)與FFD、RFD的通信,但是,RFD只能與FFD通信,RFD間的通信只能借助于FFD加以轉(zhuǎn)發(fā),而FFD除了能夠發(fā)送數(shù)據(jù),還可接收數(shù)據(jù),具有類似于路由器的功能。

        2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        對于無線傳感器網(wǎng)絡而言,其主要由監(jiān)測區(qū)域中所遍布的龐大微型傳感器節(jié)點所構(gòu)成,借助于Zigbee無線通信方式,形成了自組織、多跳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),能夠?qū)^(qū)域內(nèi)被檢測對象信息加以采集、分析、處理,并將其發(fā)送至協(xié)調(diào)器上。無線傳感器網(wǎng)絡主要包括傳感器、被監(jiān)測電纜頭、協(xié)調(diào)器三部分。在每條輸電線路上存在多個電纜頭,因此,一公里內(nèi)需要設(shè)置5個節(jié)點。

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,主要采用的是分布式測量系統(tǒng)架構(gòu),網(wǎng)絡則由無線傳感節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、監(jiān)控主站三大部分構(gòu)成。其中,無線傳感節(jié)點散布在所需監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi),主要負責溫度數(shù)據(jù)的采集、處理,并借助于無線信號進行傳送;采集終端進行數(shù)據(jù)接收,并將其打包利用GPRS網(wǎng)絡傳送至監(jiān)控主站;對于監(jiān)控主站而言,主要負責數(shù)據(jù)的解包、分析、儲存,再利用PC軟件,就各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)加以查閱、調(diào)閱、打印,對于超出警戒線的節(jié)點,能夠及時報警。

        3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括傳感終端節(jié)點、采集終端、能量供應模塊的設(shè)計三大部分。

        3.1 傳感終端節(jié)點的設(shè)計

        本系統(tǒng)中,傳感終端節(jié)點主要利用鋰電池進行供電,主要安裝于強電磁干擾條件下,由于其可靠性高、體積較小、功耗較低,因而屬于硬件設(shè)計的核心,所采用芯片必須具有較高的集成度,較低的功耗,較小的體積,主要包括溫度采集、單片機、供電模塊三大部分。

        在選擇溫度傳感器時,本文所采用的是智能單線數(shù)字化溫度傳感器——ESM6000-ZS,測溫范圍在-55-125度,雖然只有三根引腳,但是具有較小的體積、簡單的結(jié)構(gòu)與較強的抗干擾力。借助于單總線技術(shù)極大地節(jié)約了接口資源,只需要一根口線就實現(xiàn)了信息讀寫,便于進行編程,不需要采用額外A/D轉(zhuǎn)換芯片。在選擇單片機模塊時,本文采用的是CC2530單片機,其不僅具有較寬的電壓范圍,而且具有四種工作方式,功耗低、電池壽命長、便于野外使用。

        3.2 采集終端的設(shè)計

        對于采集終端而言,其主要負責對各測量節(jié)點溫度數(shù)據(jù)加以采集、分析、處理,再統(tǒng)一進行打包,借助于GPRS網(wǎng)絡傳送至監(jiān)控主站。對于采集終端而言,要求必須具有較高的性能與存儲空間,以及豐富的接口。由于其需長時間處在運行狀態(tài),因而借助于高壓線路感應取電、鋰電池相結(jié)合的供電方式,保障系統(tǒng)供電過程的穩(wěn)定性、連續(xù)性。就微控制器而言,主要采用的是STC12C5A60S2單片機,而GPRS模塊所采用的是TC35i模塊,CC2530與GPRS模塊之間利用UART實現(xiàn)連接。

        3.3 能量供應模塊的設(shè)計

        該部分主要采用的是電磁感應供能發(fā)方法,包括取能線圈、濾波、沖擊保護、超級電容等部分構(gòu)成,沖擊保護利用1個TVS,利用橋式整流,Π型LC濾波,超級電容1進行能量儲存,電容2提供負載供電。若濾波后電壓超出設(shè)置電壓范圍值時,過壓保護電路負責將多余電壓送至鋰電池中加以充電,若互感器輸出功率不足,則鋰電池負責供電。

        4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集周期,就檢測電纜頭進行實時檢測。系統(tǒng)軟件負責終端設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示、存儲。

        對于采集終端、傳感器節(jié)點而言,其軟件主要在SUPER2000下,基于IEC104協(xié)議進行開發(fā),包括網(wǎng)絡拓撲協(xié)議棧,其主要包括硬件抽象層、系統(tǒng)抽象層、ZigBee協(xié)議層組成,各層以任務事件方式集成。SUPER2000為用戶提供了便于操作的操作系統(tǒng)平臺,各應用均以此為基礎(chǔ),完成各項任務。各設(shè)備均有64位MAC地址,為便于應用,采用16位短地址進行自身標識,用以識別對方。就采集終端而言,短地址:0x0000,其由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器加以分配。

        該系統(tǒng)的應用便于有關(guān)人員及時掌握電纜頭實時溫度,及時掌握報警信息,找出故障點,便于進一步處理,為火災預防提供了有力的依據(jù)。

        參考文獻

        [1]任秀麗,于海斌.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)的安全分析[J].計算機科學,2006,33(10):111-113.

        [2]易麗華,黃俊.基于AT89C51單片機與DS18B20的溫度測量系統(tǒng)[J].電子與封裝,2009,25(9):239-243.

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