李 昕，陳 堅(jiān)，陳 義

（1.湖南工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.湖南工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 衡陽(yáng) 421002）

基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 昕1，陳 堅(jiān)2，陳 義2

（1.湖南工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.湖南工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 衡陽(yáng) 421002）

文章對(duì)現(xiàn)有高壓設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，研制了基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了溫度監(jiān)測(cè)的工作原理并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要由下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理兩部分組成。下位機(jī)以ZigBee為控制核心，首先由ZigBee終端負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，而后通過(guò)無(wú)線發(fā)射傳輸方式，將溫度信息送到高壓控制柜上的ZigBee協(xié)調(diào)器顯示出來(lái)。上位機(jī)與協(xié)調(diào)器通過(guò)485總線通信，借助LabView可視化圖形界面，準(zhǔn)確地報(bào)告運(yùn)行中所有被測(cè)高壓設(shè)備易發(fā)熱部件的溫度升高情況，為決策層提供最直接、可靠的數(shù)據(jù)信息，消除隱患從而最大限度地減少火災(zāi)等事故。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω邏洪_(kāi)關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)熱部位的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行。

溫度監(jiān)測(cè)；ZigBee；高壓控制柜；RS485；LabView

發(fā)電廠、變電站的高壓開(kāi)關(guān)柜中電氣設(shè)備連接點(diǎn)是電力輸送最薄弱的環(huán)節(jié)，在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜中的斷路器與開(kāi)關(guān)柜之間的連接插頭等部位會(huì)因制造、運(yùn)輸、安裝不良及老化引起接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，隨著負(fù)荷的增大，導(dǎo)致連接點(diǎn)發(fā)熱并形成惡性循環(huán)：溫度升高、膨脹、收縮、氧化，電阻增大、再度升溫。如果這些發(fā)熱部位的溫度無(wú)法監(jiān)測(cè)，得不到及時(shí)檢修，最終可能會(huì)導(dǎo)致燒毀開(kāi)關(guān)柜的火災(zāi)事故發(fā)生。由于開(kāi)關(guān)柜全封閉運(yùn)行，內(nèi)部空間狹小、走線較多并且具有裸露高壓，無(wú)法進(jìn)行人工巡查測(cè)溫，因此溫度在線監(jiān)測(cè)成為人工干預(yù)保證高壓開(kāi)關(guān)柜安全運(yùn)行的重要手段。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)由下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)主要部分組成，下位機(jī)以ZigBee[1]為控制核心，ZigBee終端負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，而后通過(guò)無(wú)線發(fā)射傳輸方式，將溫度信息傳送到機(jī)柜上的ZigBee協(xié)調(diào)器顯示。上位機(jī)與協(xié)調(diào)器通過(guò)485總線通信，借助LabView可視化圖形界面，準(zhǔn)確地報(bào)告運(yùn)行中所有被測(cè)高壓設(shè)備易發(fā)熱部件的溫度升高情況，為決策層提供最直接可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，消除隱患、最大限度地減少事故。同時(shí)，借助LabView的Web發(fā)布工具，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 CC2530無(wú)線傳輸電路

根據(jù)系統(tǒng)需要，該設(shè)計(jì)分為ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器兩大模塊電路，其中，6個(gè)ZigBee終端模塊相互獨(dú)立，每個(gè)ZigBee終端由CC2530無(wú)線傳輸電路和DS18B20傳感器電路等組成；ZigBee協(xié)調(diào)器主要是對(duì)ZigBee終端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并傳送給上位機(jī)，主要由CC2530無(wú)線傳輸電路、MAX485通信[2]電路、LCD12864液晶顯示電路等組成。該部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 CC2530無(wú)線傳輸電路

2.2 無(wú)線溫度傳感器

無(wú)線溫度傳感器由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和CC2530及外圍電路組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)線溫度傳感器結(jié)構(gòu)

對(duì)于環(huán)境溫度的檢測(cè)，該設(shè)計(jì)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器與單片機(jī)通信采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式[3]，在該電路設(shè)計(jì)中，采用CC2530的P0_6口作為數(shù)據(jù)讀取口線，并給DS18B20提供3.3 V電源電壓，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度信息后，其信息會(huì)立即通過(guò)P0_6接口傳送給CC2530芯片作進(jìn)一步處理，通過(guò)軟件算法得出實(shí)際溫度值。溫度檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測(cè)電路

2.3 無(wú)線智能接收機(jī)

無(wú)線測(cè)溫智能接收機(jī)由CC2530單片機(jī)、LCD12864液晶顯示、電源和通信芯片接口組成，該設(shè)備可及時(shí)將檢測(cè)器采集的溫度信息進(jìn)行顯示、處理，之后通過(guò)RS-485接口發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)，接口可以支持128個(gè)無(wú)線測(cè)溫智能接收機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)可及時(shí)得到各被測(cè)點(diǎn)的即時(shí)溫度信息。無(wú)線測(cè)溫智能接收機(jī)原理框圖如圖5所示。

圖5 無(wú)線測(cè)溫智能接收機(jī)原理

RS-485采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離可達(dá)到1.2km，最大可連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器。該設(shè)計(jì)選擇MAX485為串口通信主控芯片，其中，CC2530的標(biāo)準(zhǔn)串行口P0_2通過(guò)RX直接連接MAX485芯片的RO引腳，P0_3通過(guò)TX直接連接芯片的DI引腳。由CC2530的P1_3口輸出R/D信號(hào)直接控制MAX485芯片的收/發(fā)使能，當(dāng)R/D信號(hào)為“1”，則MAX485芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)CC2530可以向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；反之，則接收數(shù)據(jù)。電阻R7能減少線路中傳輸信號(hào)的反射[4]。電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 MAX485電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)下位機(jī)程序和上位機(jī)程序組成。下位機(jī)以ZigBee系列CC2530單片機(jī)為控制核心，負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫度的采集和顯示，軟件實(shí)現(xiàn)部分主要由ZigBee無(wú)線通信協(xié)議棧程序、溫度監(jiān)控程序、串口通信程序等組成。上位機(jī)則采用LabView圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)[5]，由串口通信程序、數(shù)據(jù)處理和顯示程序等組成。

3.1 下位機(jī)ZigBee軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 Zigbee協(xié)議棧流程

協(xié)議是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)發(fā)射和接收。ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供API（應(yīng)用層），用戶可以直接調(diào)用。在開(kāi)發(fā)一個(gè)應(yīng)用時(shí)，協(xié)議較底下的層與應(yīng)用是相互獨(dú)立的，因此只要在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，達(dá)成溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。協(xié)議棧流程如圖7所示。

圖7 協(xié)議棧流程

3.1.2 DS18B20程序流程

溫度傳感器DS18B20遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議，以確保通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，CC2530通過(guò)時(shí)序來(lái)寫(xiě)入和讀出DS18B20中的數(shù)據(jù)，傳感器復(fù)位后，接收應(yīng)答信號(hào)，跳過(guò)讀ROM中序列號(hào)后，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，等待溫度轉(zhuǎn)換完畢后，保存溫度數(shù)據(jù)。其流程如圖8所示。

圖8 溫度測(cè)量流程

3.2 上位機(jī)LabView軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)之間數(shù)據(jù)通信采用的是串口通信，硬件采用RS485轉(zhuǎn)USB接口。首先安裝RS485轉(zhuǎn)USB驅(qū)動(dòng)，然后配置VISA相關(guān)函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的雙向?qū)崟r(shí)通信。

上位機(jī)和下位機(jī)通信采用十六進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸，由于上位機(jī)從串口讀取的為數(shù)據(jù)幀格式，即先截取字符串，然后索引數(shù)組，提取有效數(shù)據(jù)，再創(chuàng)建顯示控件，則可正常顯示當(dāng)前溫度值。與此同時(shí)，將提取的實(shí)際溫度值與設(shè)置的閥值進(jìn)行大小比較，比較結(jié)果送LED顯示，在在Labview中以顏色區(qū)分是否超過(guò)設(shè)定的溫度閾值。值得注意的是在利用LabView編寫(xiě)測(cè)量應(yīng)用程序時(shí)，對(duì)于大量數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)之間存在復(fù)雜關(guān)系時(shí)，往往需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)、管理和查詢數(shù)據(jù)，LabView本身并不能直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，但提供了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具—LabSQL，它完全就是由許多VI組成的包，像調(diào)用普通VI一樣調(diào)用其中的VI。

4 測(cè)試結(jié)果

無(wú)線測(cè)溫傳感器和無(wú)線智能接收機(jī)調(diào)試后，將無(wú)線溫度傳感器以傳統(tǒng)的接觸方式安裝緊貼在控制柜內(nèi)部易發(fā)熱的測(cè)溫點(diǎn)上，智能接收機(jī)安裝在控制柜面板上，系統(tǒng)上電后，智能接收機(jī)的液晶顯示結(jié)果如圖9所示，上位機(jī)Labview人機(jī)交互界面顯示結(jié)果如圖10所示。

圖9 無(wú)線測(cè)溫智能接收機(jī)液晶顯示

圖10 上位機(jī)顯示結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee的高壓控制柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用CC2530作為主控芯片，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、低功耗、易實(shí)現(xiàn)。所構(gòu)成的無(wú)線傳感具有自組網(wǎng)的特點(diǎn)，無(wú)線測(cè)溫方式解決了高壓控制柜內(nèi)設(shè)備的高低壓隔離問(wèn)題，RS485總線通信方式方便系統(tǒng)擴(kuò)展，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓控制柜內(nèi)設(shè)備易發(fā)熱部位的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，經(jīng)試驗(yàn)，該調(diào)試系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

[1]翁靜蘭.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[2]盧嫚.基于RS-485總線的溫室多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[3]張曉宇.單總線數(shù)據(jù)傳輸方案研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[4]彭元杰，何怡剛，郭杰榮，等.傳輸線中信號(hào)反射的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（21）：179-181，184.

[5]劉旭.LabView圖形化環(huán)境下虛擬溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）：142-145.

Design of high-voltage control cabinet temperature monitoring system based on ZigBee

Li Xin1, Chen Jian2, Chen Yi2
（1.Computer and Information Science School of Hunan Institute of Technology, Henyang 421002, China;
2.Electronics and Information Engineering School of Hunan Institute of Technology, Henyang 421002, China）

Based on the analysis and research of the existing high-voltage equipment temperature monitoring technology, high-voltage control cabinet temperature monitoring system based on technology ZigBee is developed in this paper. And the principle of monitoring the temperature is introduced and the system design is put forward. The system is composed of the data acquisition of lower machine and computer data processing of upper computer. Firstly, the ZigBee terminal which is the controlling core of the lower position machine is responsible for temperature data acquisition. Then, by way of wireless transmission, the temperature information will be sent to the cabinet on the ZigBee coordinator. The upper computer communicates with the coordinator through 485 bus. With the help of LabView graphical user interface, the system will accurately report all parts of measured temperature of high voltage equipment, providing the most direct and reliable data for decision-making and eliminating hidden dangers to reduce the number of fire accidents. Experiments show that the system can monitor the temperature of the high voltage switch equipment to ensure the safe and reliable operation of the high-voltage switch equipment.

temperature monitoring; ZigBee; high pressure control cabinet; RS485; LabView

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：H1509。湖南省教育廳科研項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：13C210。湖南工學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：H1427。湖南工學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：H1450。

李昕（1979— ），女，湖南常寧，碩士，講師；研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。