基于ZigBee的無線測溫管理系統的應用研究

熊軍華，王亭嶺，劉湘蒞

（①華北水利水電學院，河南 鄭州 450011；②河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007）

0 引言

在電力系統中，高電壓、大電流供電設備隨處可見，這些設備在母線承載電流過大或開關接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導致擊穿，造成惡性事故。在變電設備的實際運行中，通過對比分析發現，運行方式的改變、負荷變化較大、高溫天氣時，相關電氣設備大電流的回路連接點、閘刀觸頭比較容易產生發熱等異常情況。因此實時測量高壓母線接頭和高壓開關觸點溫度，可以及時采取有效措施，避免惡性事故的發生。

本設計方案提出了在無現場供電和不使用電池的情況下，利用半導體溫差發電技術在高壓、高溫環境下為發熱檢測和控制電路提供電能，利用先進的 ZigBee無線通信技術實時進行數據采集與傳輸，理想地實現了高壓測溫一次設備和二次監測設備的電隔離，保證系統的安全可靠。通過Visual Basic 6.0設計的監控界面，實現了無線傳感器網絡溫度信息的實時采集、及時報警和有效管理，做到設備發熱實時監控及遠距離遙測。

1 測溫節點供電原理

基于ZigBee網絡的測溫節點由三部分組成：直流電產生模快、升壓/穩壓電路和 ZigBee節點測溫電路，如下頁圖 1所示。直流電產生模塊主要利用半導體溫差發電模塊產生直流電能。半導體溫差發電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發電模塊兩端就產生電壓差。如果給一片40×40 mm2、126對PN結的發電模塊提供25 k℃的溫差 ，就能產生約1 V的開路電壓啟動升壓式DC/DC變換器為測溫電路供電。由于溫度差很難固定，半導體溫差模塊產生的壓差不穩定，不滿足無線單片機測溫電路的要求。為此，首先須對電壓進行升壓、穩壓處理，然后用穩定的電壓給 ZigBee節點測溫電路提供電能。

半導體溫差發電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產生電能，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度是至關重要的[1]。在設計中，由電氣設備的接線排直接作為熱面的加熱源，冷面加裝散熱片和一個風扇，驅動風扇的電能也是由半導體溫差模塊產生。其發電裝置如圖 2所示。電氣設備的接線排在出現發熱故障時，溫度可上升到333～393 k℃。

圖1 測溫節點原理

圖2 半導體溫差發電裝置

半導體溫差發電存在的突出問題是輸出電壓不穩定，當溫差較小時輸出電壓也很小。當溫差發電模塊冷、熱面溫差小于25 k℃時，開路輸出電壓小于1 V，要保證后續單片機電路正常工作，供電電壓必須大于 2 V，往往采用升壓式充電泵或升壓式 DC／DC轉換器。傳統的充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC／DC轉換器的最低輸入電壓為1.0 V左右(啟動電壓為0.6～0.7 V)。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統的充電泵或DC／DC轉換器內部的電路(如振蕩器、誤差放大器、邏輯控制電路、電子開關等)不能正常工作，無法實現升壓的目的。本設計方案采用 TI公司新近推出的一款超低輸入電壓升壓式 DC/DC轉換器TPS61200。該芯片的主要特點是輸入電壓在0.5 V時，在滿負載時也能啟動工作，輸入工作電壓范圍寬，從0.3～5.5 V，輸入低電壓鎖存的電壓可設定。很好的解決了無線單片機的供電問題。

2 測溫節點電路分析

ZigBee無線傳感器網絡是基于IEEE 802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議而設計的無線數據傳輸網絡。這種網絡是中短距離、低速率無線傳感器網絡，具有射頻傳輸成本低，功耗低，快速組網自動配置，自動恢復等優點[2]。本設計采用ZigBee星形網絡拓撲結構，由一個網絡協調器（FFD）和多個RFD節點組成。無線測溫管理系統由測溫傳感器節點（RFD）、網絡協調器及監控中心組成，如圖3所示。

測溫傳感器節點（RFD）用于采集溫度信息并發送給網絡協調器（FFD）；網絡協調器用于建立一個新的無線傳感器網絡，接收信息，發送控制命令；監控中心（上位機）通過RS-232串口實現與網絡協調器的通信。

圖1中，無線單片機采用TI公司的CC2431。CC2431片上系統（SoC）由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4標準的無線電定位引擎組成。采用該引擎，可實現0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[3]。CC2431芯片采用0.18 μmCMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2431一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，進一步節省電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2431特別適合那些要求低功耗的應用。

溫度傳感器為TC77，它是SPI串行接口的數字硅溫度傳感器，特別適合于低功耗、低成本、低尺寸應用。溫度數據由內部溫度敏感元件轉換得到，隨時都可以轉換成 13位的二進制補碼數字。與CPU之間的通信通過SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一個±12位的ADC，溫度分辨率為0.062 ℃，TC77可以精確到±1 ℃，工作電流僅250 μA。

圖3 無線測溫管理系統的構成

3 測溫節點及協調器軟件設計

軟件部分需要解決的問題包括：溫度信息的采集；溫度信息的發送；RFD與協調器的無線通信；協調器與上位機的有線通信等。由于溫差發電模塊供電的持續性受環境溫度的影響很大，對溫度的采集頻率應隨著溫差的降低而變慢。溫度采集的間隙應使TC77處于關斷模式，在關斷模式期間，TC77的電流消耗低于1 μA。RFD節點發送完溫度信息后應立即進入睡眠狀態，從而最大限度的降低功耗。針對網絡協調器和RFD節點，程序所用的協議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節點的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節點中。

當一個RFD節點初始化完成之后，如果此時在其高頻覆蓋范圍內有一個網絡協調器處于正常工作狀態，而RFD節點又與該網絡協調器同頻時，可以調用aplJoinNetwork（）函數加入當前的網絡協調器。首先RFD節點上電后掃描網絡中是否有網絡協調器。如果此時網絡協調器存在，就會自動應答RFD節點，當RFD節點收到網絡協調器的3次應答信號后，RFD節點就向網絡協調器發送自己的64位物理地址。之后網絡協調器收到RFD節點發送上來的64位物理地址后，根據加入的先后給RFD節點分配16位的短網絡地址。此時RFD節點加入網絡成功[4]。

CC2431中含有兩個串行通信接口USART0和USART1。利用USART0進行通信時需要對其串行通信的模式、傳輸的波特率及相關的通信協議進行定義。需要初始化的寄存器有：U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制與狀態寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。與通信相關的子程序如下：

4 上位機監控界面設計

監控界面使用VB6.0可視化程序設計語言開發。利用VB6.0提供的MSComm串行通信控件，可以方便的實現計算機與CC2431之間的串行通信。監控中心通過RS-232實現與網絡協調器（FFD）的串行通信。從而實現監控中心實時監測FFD和RFD的工作狀態，并可以對FFD和RFD實施控制。監控中心與FFD設定的通信協議為：波特率為57 600 b/s，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位。為了使用MSComm控件，需要在“部件”對話框的“控件”選項卡中選中“Microsoft Comm Control 6.0”選項，單擊“確定”按鈕后控件將被添加到Visual Basic的工具箱中[5]。

Visual Basic6.0是面向對象的可視化程序設計語言，采用事件驅動的編程機制，對各個對象需要響應的事件分別編寫程序代碼，對每個事件過程的程序代碼來說，一般比較短小簡單，調試維護也比較容易。本控制系統上位機監控程序需要響應的事件有：退出監控界面事件、控制設定事件、裝載事件（初始化通信口）、定時器事件、信息接收事件等。與通信相關的程序代碼及注釋如下：

5 結語

隨著發電廠和變電站自動化程度的不斷提高，電氣設備的熱缺陷監控對安全生產顯得尤為重要。本文所設計的溫度檢測裝置，外圍元件少，調試簡單，工作可靠。采用半導體溫差發電模塊提供電能，解決了變電站測溫現場供電不便的難題，同時也避免了電池供電需頻繁更換的繁瑣。良好的監控管理軟件，易于上手，操作簡便。

基于ZigBee的無線測溫管理系統通過在鄭州某110 kV變電站進行的測試，獲得了良好的效果。測試用的硬件設備由6個RFD節點、1個FFD節點及一臺筆記本電腦組成。

測試的相關數據如下：RFD與FFD的通信距離最遠可達180 m（加長天線），FFD與PC通信距離可達10 m（制作的RS-232數據線為 10 m），無線傳感器網絡建立的時間小于1 s，RFD加入網絡的時間小于0.5 s，PC機上的監控信息刷新時間小于 1 s，達到實時監控的要求。變電站的電磁干擾對無線傳感器網絡管理系統無影響。測試的結果表明，本文所設計開發的無線傳感器網絡管理系統是成功的，具有很好的應用價值。

[1] 林玉蘭,呂迎陽.基于半導體溫差發電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術,2006(01):39-40.

[2] 王艷秋,曾維魯,岳宇君.ZigBee技術在倉儲管理中的應用[J].通信技術,2008,41(11):205-207.

[3] 張智勇，郭鐵梁，李志軍.基于CC2431的井下人員跟蹤系統設計[J].通信技術,2009,42(09):111-113.

[4] 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:165-166.

[5] 求是科技.Visual Basic6.0程序設計與開發技術大全[M].北京:人民郵電出版社,2004:154-207.