基于ZigBee的高壓開關柜無線溫濕度監測系統

引言
???? 發電廠、變電站的高壓開關柜內的母線接頭和室外刀閘開關等重要設備，在長期運行過程中，因老化或接觸電阻過大而發熱。由于這些發熱部位的溫濕度沒有得到及時有效的監測，往往導致火災和大面積停電等事故的發生。實現母線接頭和刀閘開關等關鍵部位的溫濕度實時在線監測，防止開關過熱，可以顯著地減少此類事故的發生。在工程實踐中，高壓大電流設備內的接頭部位都具有裸露高壓，因此這些部位的溫濕度很難監測，通常的溫濕度測量方法因無法解決高壓絕緣問題而不能使用。

　　目前，高壓大電流設備內的母線接頭部位溫濕度監測的方法主要有紅外測量、光纖測量和無線測量。光纖測量技術采用光導纖維傳輸溫濕度信號，光導纖維具有優異的絕緣性能，能夠隔離開關柜內的高壓，因此能夠準確測量高壓觸點的運行溫濕度，實現高壓開關柜內觸點運行溫濕度的實時在線監測。然而，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導致光纖表面放電，以及安裝布線煩瑣，大大降低了光纖測量系統的可靠性和使用范圍。紅外測量為非接觸式測量方法，沒有高壓絕緣問題。但它容易受環境及周圍電磁場的干擾，測量精度低，自動化程度低，往往需要人工定期到高壓大電流現場測試，效率低，風險大。另外，開關柜內的空間非常狹小，時常無法安裝紅外測量探頭(因為探頭必須與被測物體保持一定的安全距離，并需要正對被測物體的表面)。

　　無線溫濕度監測系統采用無線電波進行信號傳輸，帶有傳感器的測試模塊安裝在高壓設備表面，與接收設備之間無電氣聯系，從根本上解決了高壓絕緣問題，測量精度高，并且安裝方便，不受開關柜體結構的限制，是監測高壓開關柜溫濕度的理想解決方案。本文提出的高壓開關柜溫濕度監測系統就是基于 ZigBee這一新興的無線網絡技術。

　　2 高壓開關柜無線溫濕度監測系統的實現

　　ZigBee無線網絡技術是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，其數據傳輸速率在10～250 kb／s之間，兩個網絡節點之間的單跳距離為10～75 m，射頻發射功率低，再加上處理器支持多種休眠模式。一節普通容量的鋰電池能保證網絡節點正常工作1～3年，成本低，網絡節點容量大，具有自組網，自動路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免執照頻段。它是實現高壓開關柜無線溫濕度監測系統的理想解決方案。

　　2.1 硬件設計

　　本文提出的高壓開關柜無線溫濕度監測系統的網絡節點的硬件設計基于TI公司推出的符合ZigBee技術標準的CC2430芯片。射頻部分的原理圖設計在典型電路的基礎上做了少量修改。考慮到系統工作在高壓大電流環境，為避免引起尖端高壓放電，網絡節點采用印刷電路板天線或者陶瓷天線。ZigBee網絡包括協調器、路由器和終端節點3種網絡設備。終端節點帶有溫濕度傳感器，是主要的感測節點，放置在高壓開關柜內。開關柜內往往不允許布置額外的電纜，同時終端節點支持休眠模式，因此采用電池供電。協調器和路由器節點因為需要給其他網絡節點提供路由傳遞數據報功能，因此采用市電供電，使協調器和路由器節點永遠處于工作狀態。

　　系統的溫濕度檢測采用瑞士SENSIRION公司推出的基于CMOSens技術的新型數字式溫濕度傳感器SHT71。它是一款將溫濕度傳感器、信號放大調整器、模／數轉換器和總線接口全部集成在一個芯片上的單片全校準數字輸出傳感器，可以提供-40～120范圍內分辨率為14 b的溫度測量以及0～100％范圍內分辨率為12 b的濕度測量。SHT71采用串行接口與微處理器相連，它的串行時鐘輸入線SCK和串行數據線DATA直接與微處理器CC2430的通用／輸出口線相連，電路原理圖如圖1所示。串行時鐘輸入線SCK與微處理器保持通信同步，串行數據線DATA收發通信協議命令和數據。其控制流程如下：微處理器用1組“啟動傳輸”時序表示數據傳輸的初始化，接著發送1組測量命令后，釋放DATA數據線，等待SHT71下拉DATA數據線至低電平，表示測量結束，微處理器讀出測量值后，可根據式(1)、式(2)計算出相對濕度和溫度值：

　　式(1)是相對濕度的計算公式，是微處理器讀到的濕度值，參數的值如表1所示。

　　式(2)是溫度的計算公式，是微處理器讀到的溫度值，參數的值如表2所示。

　　2.2 軟件設計

　　軟件設計基于T1公司推出的ZigBee協議棧的最新版本Z-Stack 1.4.2。ZigBee網絡設備根據功能的不同可以分為協調器、路由器和終端節點。終端節點申請加入網絡，成為協調器或者路由器的子節點后，可以主動向網絡中的任何節點發送數據報，也可以詢問它的父節點是否有發送給它的數據報并接收。路由器包含終端節點的所有功能，此外還可以作為父節點允許其他節點加入網絡，給網絡中的其他節點路由轉發數據報，對邏輯網絡地址進行分配，維護鄰居設備表等。協調器除了包含路由器的所有功能外，還包括創建一個新網絡的功能。新建網絡的流程如圖2所示。

　　協調器通過NLME-NETWORK-FORMA-TION.request原語來啟動一個新網絡的建立過程。然后網絡層請求MAC層對協議所規定的信道或由物理層所默認的有效信道進行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。網絡層收到成功的能量檢測掃描結果后，以遞增的方式對所測量的能量值進行排序，并舍棄那些能量值超出許可范圍的信道。如果網絡層找到了合適的信道，則為新建的網絡選擇一個PAN標識符，接著選擇0x0000作為協調器的網絡地址。當網絡層選定網絡地址后，通過向MAC層發送MLME-START.request原語完成ZigBee網絡的創建過程。ZigBee網絡支持星型網、簇狀網和網狀網3種網絡結構，其中網狀網的任意兩個網絡節點之間都可以進行通信，發送數據報的流程如圖3所示。

　　2.3 低功耗設計

　　由于高壓開關柜內是一種高電壓、大電流的環境，而且一旦開始工作不能輕易停止，因此終端節點的低功耗特性，也就是一節普通鋰電池能夠維持終端節點正常工作的時間長短是決定整個方案成敗的關鍵。TI公司的ZigBee解決方案從硬件和軟件上保證ZigBee終端節點具有良好的低功耗特性。 ZigBee芯片CC2430是真正意義上的系統單芯片，在單一硅片上集成了處理器內核、射頻收發器和各種外設，根據工作頻率的不同以及外設是否處于工作狀態，CC2430可以工作在PM0，PM1，PM2和PM3四種低功耗模式，流耗依次降低，工作在PM3模式下時，流耗最低可達0.6 A。Z-Stack協議棧也對低功耗做了很好的支持。ZigBee網絡中的終端節點不具備路由功能，處于空閑狀態時，它的射頻部分可以關閉，微處理器可以工作在低功耗的休眠模式。網絡中的其他節點發給終端節點的數據報，可以先存儲在它的父節點，終端節點每次退出休眠模式后，主動詢問它的父節點，是否有它的數據報。Z-Stack協議棧支持LITE sleep和DEEP sleep兩種低功耗實現方式。其中，在LITE sleep模式下，終端節點能主動退出低功耗模式，完成諸如傳感器數據的讀取并發送的任務；在DEEP sleep模式下，終端節點必須由外部中斷信號(如按鍵事件)喚醒。根據實際工程應用的需要，本文的高壓開關柜無線溫濕度監測系統中的終端節點采用 LITE sleep低功耗模式。

　　3 現場試用結果

　　本文設計的基于ZigBee無線網絡技術的溫濕度監測系統在變電所的電容式高壓開關柜內進行了現場試用，安裝情況如圖4所示。每個開關柜內布置 8～10個ZigBee終端測試節點，用于測試開關觸點和母線連接部位的溫濕度，整個配電室內的所有測試節點通過路由節點組成一個ZigBee網絡。終端測試節點大部分時間處在休眠狀態，每隔5 min醒來1次，讀取傳感器溫濕度值，并發往ZigBee網絡中的協調器節點，協調器可以通過串口、以太網或GPRS等多種接口方式將測量數據發往后臺管理數據庫。系統在不更換終端節點電池的前提下，已經連續正常工作10個月，預計可以正常工作3年以上。

　　4 結 語

　　本文針對高壓開關柜開關觸點和母線連接等部位溫濕度監測的迫切性及工程現場的特點，提出了一種基于ZigBee技術的無線溫濕度監測系統，實現對開關柜內關鍵點位溫濕度監測，有效地防止了重大事故的發生。系統實現成本低廉、安裝方便、終端節點功耗低、工作穩定、具有很強的工程實用性和市場推廣價值。