基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測溫系統(tǒng)

摘 要：針對目前電力設(shè)備溫度檢測中普遍依賴人工采用紅外成像儀、紅外測溫儀等儀器進(jìn)行巡檢存在的問題，結(jié)合紅外測溫探頭和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，研制了一種基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由測溫裝置和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，測溫裝置及應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的硬件和系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：紅外測溫；無線通訊；電力設(shè)備；應(yīng)用網(wǎng)關(guān)

引言

電力設(shè)備的有效的監(jiān)測和檢測直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全和效益，變電站中無論哪種設(shè)備出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)若不及時處理很可能會發(fā)展成故障，甚至造成設(shè)備損壞或人身事故，而造成不可估量的后果。對設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測和檢測，可使設(shè)備維修費(fèi)減少25%～50%，設(shè)備事故率減少75%，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

紅外檢測技術(shù)能夠以遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時、快速在線監(jiān)測方式獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，具有分辨率高、形象直觀、不受電磁干擾、安全可靠和效益/投資比高等優(yōu)點(diǎn)，可以在不停電、不取樣、不解體的狀況下進(jìn)行故障的診斷分析，因此，紅外診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)得到了較廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外大多使用紅外熱成像儀進(jìn)行定期的巡檢，不能達(dá)到實(shí)時全面動態(tài)檢測，由于紅外熱成像儀大多體積較大，巡檢過程需工作人員攜帶儀器進(jìn)入現(xiàn)場，增加了工人勞動強(qiáng)度。并且價格非常昂貴，大型變電站方可配備，對于絕大多數(shù)的小型變電站，或無人值守變電站則發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，本文提出一種基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測溫系統(tǒng)，既可以避免紅外成像儀成本高，難以廣泛使用等問題，又可以充分發(fā)揮計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，完成一些人工檢測難以完成的任務(wù)，從而有利于提高監(jiān)測實(shí)時性，可實(shí)現(xiàn)變電站的無人值守，同時也為狀態(tài)檢修提供了數(shù)據(jù)參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測溫系統(tǒng)主要由紅外測溫傳感器和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1中虛線框部分所示。紅外測溫傳感器基于性價比較高的紅外測溫技術(shù)，紅外測溫傳感器與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)之間通過基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，應(yīng)用網(wǎng)關(guān)對外提供網(wǎng)絡(luò)接口，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與其他終端設(shè)備的通訊。應(yīng)用網(wǎng)關(guān)作為紅外測溫傳感器與電力系統(tǒng)其他終端的橋梁，一方面實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)化和管理；另一方面實(shí)現(xiàn)與其他終端設(shè)備的通訊接口與數(shù)據(jù)交換。電力系統(tǒng)中的其他終端設(shè)備可通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對紅外測溫傳感器的透明訪問。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 紅外測溫傳感器硬件設(shè)計

紅外測溫傳感器主要由光學(xué)鏡頭、傳感器芯片、信號處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)MC9S12XS128、溫濕度測量電路以及Zigbee接口電路組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。紅外測溫傳感器芯片將物體發(fā)出的紅外光轉(zhuǎn)換為電壓信號；信號處理電路對紅外測溫傳感器芯片的輸出信號進(jìn)行濾波放大；AD轉(zhuǎn)換電路將信號處理電路輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；單片機(jī)對AD轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號進(jìn)行處理和存儲，并實(shí)現(xiàn)對Zigbee接口電路的控制；Zigbee接口電路實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的通訊連接；溫度濕度測量電路用于對環(huán)境溫度和濕度的測量，有利于用戶對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

圖2 紅外測溫傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.1 紅外測溫傳感器芯片和信號處理電路

紅外測溫電路由紅外測溫傳感器芯片和信號處理電路構(gòu)成，紅外測溫傳感器芯片選用德國HL-Planartechnik公司生產(chǎn)的TS118-3。TS118-3通過其熱端的吸收區(qū)把引入的紅外線轉(zhuǎn)換電壓成輸出。由于TS118-3輸出信號很微弱，為達(dá)到使用要求，本系統(tǒng)采用運(yùn)算放大器AD8554進(jìn)行信號放大。紅外測溫電路如圖3所示。

圖3 紅外測溫電路

2.2 溫度濕度測量電路

圖4 SHT75與MC9S12XS128的電路連接圖

2.3 信號處理電路

測溫信號處理電路由一個二階有源低通濾波器和一個同相放大器組成，濾波器和放大器基于雙運(yùn)算放大器芯片OP292，如圖5所示。信號處理電路接收電磁信號檢測電路的檢波輸出，進(jìn)行濾波放大后輸出到單片機(jī)MC9S12XS128的AD輸入端。

圖5 信號處理電路

3 應(yīng)用網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

應(yīng)用網(wǎng)關(guān)主要由Zigbee接口電路、嵌入式系統(tǒng)模塊、以太網(wǎng)接口電路組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，Zigbee接口電路實(shí)現(xiàn)與紅外測溫傳感器的通訊連接；以太網(wǎng)接口電路實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)其他終端的連接；嵌入式系統(tǒng)模塊是應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的核心，用于對紅外測溫數(shù)據(jù)的獲取、處理和管理，以及為其他終端的訪問提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖6 應(yīng)用網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

Zigbee芯片采用TI公司的CC2530芯片。CC2530芯片在單個芯片上整合了Zigbee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器，其具有不同的運(yùn)行模式，適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)CC2530典型電路設(shè)計的通信模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7 CC2530通信模塊電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

紅外測溫系統(tǒng)的軟件包括紅外測溫傳感器軟件、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)軟件和后臺測試軟件三部分。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。紅外測溫傳感器軟件通過傳感器節(jié)點(diǎn)Zigbee通訊接口獲取后臺測試軟件通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的下傳的指令，然后由指令處理程序?qū)χ噶钸M(jìn)行解析，根據(jù)指令控制進(jìn)行紅外測溫。并將測溫數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點(diǎn)Zigbee通訊接口，由應(yīng)用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺測試軟件；應(yīng)用網(wǎng)關(guān)軟件通過以太網(wǎng)通訊接口接收后臺測試軟件下傳的指令，并將指令通過協(xié)調(diào)器Zigbee通訊接口轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的紅外測溫傳感器。同時，接收紅外測溫傳感器上傳的紅外測溫數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)通訊接口轉(zhuǎn)發(fā)給后臺測試軟件；后臺測試軟件提供人機(jī)接口界面，實(shí)現(xiàn)用戶對紅外測溫傳感器的控制，通過以太網(wǎng)通訊接口傳送用戶指令或接收紅外測溫數(shù)據(jù)，紅外測溫數(shù)據(jù)的顯示。

圖8 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本文提出一種基于Zigbee的電力設(shè)備紅外測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由紅外測溫傳感器和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)組成，傳感器基于性價比較高的紅外測溫技術(shù)，因此成本可以大大降低，適用于中小型變電站和大量的無人值守變電站。而無線通訊技術(shù)的使用，可實(shí)現(xiàn)通過計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)對紅外測溫傳感器的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。因此本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時網(wǎng)絡(luò)化安全監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)熱故障狀態(tài)檢測和診斷、設(shè)備檢測和監(jiān)控等方面功能，將大大提高變電站運(yùn)行安全性、可靠性，并降低工人的勞動強(qiáng)度。

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作者簡介：袁輝建（1977-），男，重慶九龍坡，碩士研究生，講師，主研方向?yàn)榛谇度胧较到y(tǒng)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時研究。