操文祥 吳曉春 檀美慧

摘 要：利用ZigBee及NB-IOT通信技術(shù)，對(duì)變電站內(nèi)電力電纜進(jìn)行溫度、濕度采集，并實(shí)時(shí)上報(bào)到后臺(tái)管理平臺(tái)，通過(guò)移動(dòng)終端或PC終端遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保電力電纜穩(wěn)定可靠運(yùn)行，避免火災(zāi)、短路等事故發(fā)生，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 溫濕度傳感器 NB-IOT 電纜溝

一、引言

電力系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱，是維持工業(yè)、經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)行的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的根本保證，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。電力電纜是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓、大電流環(huán)境下，有可能出現(xiàn)絕緣老化、環(huán)境潮濕導(dǎo)致短路等問(wèn)題，如不及時(shí)采取措施就可能造成事故。目前變電站內(nèi)電力電纜大多鋪設(shè)在電纜溝內(nèi)，巡視時(shí)需要逐一掀開(kāi)笨重不透明的水泥預(yù)制板，效率低下，巡視質(zhì)量不高。通過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在電纜溝內(nèi)或電纜線上安裝Zigbee監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)具有NB-IOT通信的智能控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)管理平臺(tái)，管理員可以通過(guò)移動(dòng)終端或PC端，本地或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀況，有效避免事故產(chǎn)生，減少損失，直接和間接的提升經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

二、系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要由智能控制網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要采集電纜溝內(nèi)的溫濕度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂凭W(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。智能控制網(wǎng)關(guān)是控制系統(tǒng)的核心硬件，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠(yuǎn)程控制等功能。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、Zigbee模塊、燈光輸出模塊組成，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊采用瑞士Sensirion公司推出的SHT11傳感器，它基于CMOSensTM 技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)，同時(shí)具有IIC總線接口，方便與通用處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

Zigbee模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，選擇美國(guó)TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。它是2.4GHz的片上系統(tǒng)，遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CC2530內(nèi)部有8051微控制器、內(nèi)存、外設(shè)、時(shí)鐘、電源管理及RF內(nèi)核控制模擬無(wú)線模塊。它通過(guò)IIC總線讀取SHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。為了使系統(tǒng)工作時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)采用間歇式工作方式，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。

2、網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能控制網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)和外部NB-IOT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要由ARM Cortex-M3處理器控制器模塊、ZigBee控制模塊、NB-IOT網(wǎng)絡(luò)模塊通信、通用輸入輸出口及復(fù)位JTAG調(diào)試接口構(gòu)成，智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)的主控制器采用ST公司的STM32L151芯片。該處理器內(nèi)部集成了FLASH及RAM，中斷控制器，DMA控制器，時(shí)鐘和電源管理，同時(shí)內(nèi)部具有高速USB、IIC、LCD、串口等豐富接口資源，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）的縮寫(xiě)，是一個(gè)新興的技術(shù)。它構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只需消耗約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。本系統(tǒng)采用上海移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的BC26 NB-IOT模塊，它基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)研發(fā)。支持全球頻段，超小體積僅為17.7x15.8x2.0mm，低供電電壓及豐富的外部接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

四、軟件實(shí)現(xiàn)

1、軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提供系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在?；谕ㄓ眯约氨阌陂_(kāi)發(fā)的考慮，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用IARSystems公司的IAR Embeded Workbench集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它是一個(gè)完全集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括C/C++編譯器、工程管理器、編輯器、構(gòu)建工具以及通用的C-SPY調(diào)試器。它在編譯過(guò)程中對(duì)代碼和速度進(jìn)行高度優(yōu)化。更高效率地采用了堆棧，靜態(tài)和全局變量?？梢园讶魏螖?shù)據(jù)定義在EEPROM范圍之內(nèi)，并對(duì)大容量的FLASH進(jìn)行隨機(jī)讀取。這套工具提供了相似且直觀的用戶(hù)界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的專(zhuān)業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具之一。

2、傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：一是ZigBee網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)之間通信，二是進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集。圖4為傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖。其工作流程為：節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行信道掃描，如果接收到信標(biāo)幀，則證明當(dāng)前區(qū)域內(nèi)存在ZigBee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，便發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，入網(wǎng)成功后，傳感器節(jié)點(diǎn)按間歇式工作進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。

3、智能控制網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

智能控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)和內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保網(wǎng)絡(luò)間正常通信。采集節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控的信息進(jìn)行打包處理，包括地址信息與檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，以ZigBee幀的方式無(wú)線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)數(shù)據(jù)是否異常進(jìn)行判斷，再以NB-IOT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行打包處理發(fā)送。圖5為智能控制網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

五、結(jié)論

本文提出的基于ZigBee的電纜溝溫濕度采集系統(tǒng)，采用ARM硬件平臺(tái)，將Zigbee與NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝內(nèi)的電力電纜進(jìn)行溫度、濕度的測(cè)量，并通過(guò)移動(dòng)終端或PC端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜及溝內(nèi)環(huán)境狀況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)用這種解決方案，有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)智能電網(wǎng)的“信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”發(fā)展和建設(shè)有重要的推廣意義和巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。

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