基于ZigBee技術的變電站高壓室溫濕度監控系統的設計

楊旭英，楊俊杰

YANG Xu-ying1, YANG Jun-jie2

（1. 北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021；2.渭南供電局，渭南 714200）

0 引言

國內35kV及以下高壓設備都采用室內運行方式，運行中主要監視室內溫度、濕度等信息[1,2]。室內濕度太高則會降低設備絕緣性能，嚴重時有結露現象，導致設備發生爬電、閃絡或直流接地等嚴重故障；濕度太低則容易產生靜電，損壞設備的內部元器件，嚴重時引起保護裝置誤動作[3～5]。溫度若超出規定范圍則會導致電子元件壽命縮短、金屬材料機械強度下降、彈簧操動機構張力變化等隱患的發生。傳統的高壓室溫濕度監控系統一般采用有線連接，布線繁雜，容易受到干擾，成本較高，而ZigBee技術作為新興的無線通信技術，具有功耗低、成本低、時延短、傳輸距離遠等優點，使用較為廣泛[6～9]。

本文介紹了一種以智能控制器為核心，基于ZigBee通信技術的變電站高壓室溫濕度監控系統，來監測變電站高壓室的高壓設備，實現高壓室溫濕度數據的無線傳輸，同時上傳至監控主機，實時更新數據庫，保障變電站高壓設備的安全可靠運行。

1 系統設計方案

系統采用星狀網絡結構，包含一個中心節點和若干個終端節點而成，所有的終端節點設備只能與中心節點進行互發數據，中心節點設備與監控主機進行通信，結構如圖1所示。工作中，終端節點負責實時檢測溫濕度數據，然后將這些數據以及設備的運行狀態通過ZigBee網絡發送給中心節點，中心節點收到數據后通過串口上傳給監控主機，主機將采集的數據存入數據庫，按照一定的控制算法對數據進行分析，根據控制策略將控制命令下發給相應的終端節點，控制風機、加熱器等設備，調節變電站高壓室溫濕度參數，同時在監控界面實時顯示溫濕度數據及設備狀態。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 終端節點硬件設計

系統終端節點的作用主要是檢測溫濕度數據，并且通過ZigBee網絡傳給中心節點，硬件主要包括微控制器模塊、傳感器模塊、無線傳輸模塊以及系統電源模塊等，電路如圖2所示。

本系統選擇德州電子公司的CC2530-F256作為終端節點的控制核心，CC2530-F256是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個片上系統解決方案，供電電壓2V～3.6V，集成了增強型的8051內核、ADC、USART及無線傳輸模塊等，支持ZigBee協議棧，具有超低功耗、高靈敏度及抗干擾性能，僅需較少的外圍器件就實現數據的收發功能[10,11]。

溫濕度傳感器采用的是瑞士S e n s i r i o n 公司的S H T 1 5，供電電壓2.4 V ～5.5 V，溫度測量范圍-40oC～+123.8oC，濕度測量范圍0～100%RH，其將敏感元件、信號處理電路及A/D轉換器等集成在一起，直接將采集到的模擬量轉化為數字信號通過串行通信的方式傳輸到控制器，具有極高的可靠性與長期的穩定性。

系統電源直接采用AMS1117-3.3V正向低壓降壓器作為穩壓直流電源，該芯片內部集成過熱保護和限流電路，具有較寬的電壓輸入范圍（4.75V～12V），輸出穩定的3.3V電壓，最大輸出電流1A，能夠滿足終端節點硬件需要。

圖2 終端節點硬件電路圖

2.2 中心節點硬件設計

中心節點與所有的終端節點進行互發數據，同時通過RS232串口通信電路與監控主機進行通信，執行監控主機的控制命令。中心節點硬件電路主控芯片仍然采用CC2430-F256，在該芯片的應用電路的基礎上擴展串行通信接口，選用SP3232芯片實現TTL與RS232電平轉換，SP3232芯片引腳16個，電源電壓范圍在3V～5.5V，工作電壓為3.3V時只需0.1μF電容就可進行操作，電路如圖3所示。

圖3 串行接口硬件電路圖

中心節點是整個無線傳感網絡的紐帶和橋梁，多個終端節點的數據傳送都需要經過中心節點，信號傳送涉及到大量信息及數據的存儲，本系統選擇M25PE20 存儲器提高中心節點的存儲能力，該存儲器是一種 2Mbit的串行分頁快速可擦除閃存，它通過可兼容的高速SPI總線來獲取數據，極大促進了信號在Flash存儲器中的快速存儲能力，緩解了芯片自身存儲器的壓力，其應用電路如圖4所示。

圖4 存儲器接口電路

本監控系統在高壓室溫濕度超出設定上下限時，監控主機發出控制命令，控制執行機構，實時調節高壓室溫度、濕度等參數。中心節點采用PWM方式控制固態繼電器的通斷，控制執行機構的功率，繼電器選用固態繼電器SSR-25A，該繼電器為為小型大功率固態繼電器，輸入控制電壓為3VDC～32VDC，輸出采用單向可控硅反并聯，輸出負載電壓范圍40VAC～660VAC，最大負載電流25A。其輸入端與輸出端之間采用光電隔離，介質耐壓達到4000VAC，能有效的避免周圍電磁干擾，內部電路如圖5所示。

圖5 執行機構驅動電路

3 系統軟件設計

3.1 終端節點軟件

終端節點的軟件主要有請求加入無線網絡、數據檢測、數據發送、接收指令等功能，流程圖如圖6所示。

圖6 終端節點工作流程圖

終端節點通電后，首先進行初始化操作，包括參數設置、寄存器初始化、工作模式選擇等；完成初始化操作后，終端節點開始搜尋并且請求加入ZigBee無線網絡，得到允許后，把終端節點的地址信息加入到中心節點的綁定表中，使中心節點和終端節點關聯起來，在終端節點加入無線網絡后，節點網絡狀態改變從而觸發消息，然后進入設備自定義處理函數中，執行數據采集程序，并將采集的數據封裝成一定的數據包向中心節點發送，然后接收中心節點的確認命令，完成數據發送。

3.2 中心節點軟件

在Zigbee星狀網絡中，中心節點是連接網絡各個終端節點的紐帶和橋梁，其功能主要是創建無線網絡，收發數據。和終端節點很相似，系統上電后，首先完成初始化操作，然后選擇合適的信道組建ZigBee無線網絡，生成ZigBee無線網絡短地址，然后等待終端節點的入網請求，允許終端節點加入網絡，綁定終端節點地址信息，實現終端節點入網；確認終端節點入網后，接受終端節點發送的檢測數據，并上傳至監控主機，同時接收監控主機發送的控制命令，控制執行結構動作，調節高壓室溫濕度。中心節點的具體工作流程圖具體如圖7所示。

圖7 中心節點工作流程圖

3.3 上位機監控軟件

監控中心人機交互界面是采用目前流行的Windows平臺應用程序的集成開發溫濕度Visual-Studio2012中的C++編寫，其主要功能有溫濕度數據的實時顯示、SF6狀態顯示、歷史數據查詢、執行機構狀態顯示、報警記錄、參數設置、時間顯示、打印等功能。監控界面設計基于MFC(微軟基礎類庫)，溫濕度等數據被采集后通過串口發送給上位機，然后使用具有串口功能的Serial Port控件完成數據通信，數據的分析處理交由SQL Server 2008數據庫統一管理，利用Picture Box控件連接數據庫即可顯示數據曲線。

當系統開始工作時，打開串口，就可將接收到的實時數據加入到各終端節點的歷史數據庫，同時可以從運行界面看到實時數據變化曲線以及各執行機構狀態，歷史數據通過查看選項進行查詢，選擇日期時間即可查看對應終端節點的溫濕度歷史數據和變化情況，運行界面如圖8所示。

圖8 上位機監控界面

4 系統測試及分析

系統于2014年6月在陜西省渭南某變電站實地進行了測試，對變電站高壓室溫濕度數據進行了實地監控，選擇4個測量點安置了4個終端節點及一個中心節點組成星型網絡。

系統組網成功后，進行數據采集和傳輸測試。設定終端節點以3s為周期將溫度、濕度等數據發送給中心節點，再由中心節點上傳到監控主機，監控主機顯示數據與現場專業溫濕度測量工具檢測數據對比，誤差不超過1%；數據傳輸測試中，沒有障礙物的情況下，50m內數據能夠有效傳輸，丟包率小于1%；經過一個月的運行，各個終端節點傳感器工作正常，執行機構、報警機構沒有誤動作現象。測試結果表明本監控系統性能良好，系統穩定可靠，安裝方便，可以實時的檢測控制終端節點的溫濕度，能夠有效的實現遠程溫濕度采集和控制。

5 結束語

變電站高壓室內部環境對溫濕度的要求，結合計算機技術和無線網絡技術，本文設計了一種基于 Zigbee 無線網絡的溫濕度度監控系統。運行結果表明，該裝置可以實時顯示溫濕度，能夠有效的實現無線溫濕度采集和控制，使用效果良好，可以節省人力物力，減少運行成本，同時具有硬件結構簡單、體積小、功耗低、測量精度高、控制性能好、可靠性強等特點，有較高的應用價值。

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