基于ZigBee技術(shù)的電纜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張柏毅　萬年強　滕國欣

摘 要：針對目前電力電纜運行環(huán)境的傳統(tǒng)監(jiān)測方法，介紹了基于ZigBee技術(shù)的電纜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理，設(shè)計了針對地下電纜的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，并對傳輸距離和采集精度進行了試驗，提高了電力電纜監(jiān)測的自動化水平。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；溫濕度

中圖分類號：TM249+.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.093

文章編號：2095-6835（2015）15-0093-02

隨著科學技術(shù)和計算機的發(fā)展，通信技術(shù)和電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應用，我國很多單位和生產(chǎn)商逐步開始對不同類型的電力監(jiān)測進行研究。運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對地下電纜進行監(jiān)測，相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方式，可提高對電力電纜的監(jiān)測效果，且降低了工作人員的勞動強度，保障了人身安全，同時，可提高電力企業(yè)電纜監(jiān)測自動化程度，具有重要的意義。

1 ZigBee通信技術(shù)

與目前的無線通信技術(shù)比較，ZigBee通信技術(shù)的功耗、成本最低，是具有數(shù)據(jù)傳輸能力強、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、自動組網(wǎng)、復雜度低、靈活性高和成本低等多種優(yōu)點的雙向通信技術(shù)，可用于自動控制、遠程控制等方面，還可方便地嵌入多種設(shè)備中實現(xiàn)自動化功能。將其應用在電力電纜監(jiān)測中的優(yōu)勢為：可避免長距離傳輸?shù)男盘査p、解決高壓設(shè)備的電磁干擾問題，從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低運維成本。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計思路

構(gòu)建監(jiān)測電力電纜的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由三部分組成：接收端、上位機操作系統(tǒng)和發(fā)送端。由1個或多個ZigBee節(jié)點終端構(gòu)成發(fā)送端，每一個ZigBee節(jié)點是由一組監(jiān)測線路的相關(guān)傳感器（溫度傳感器、煙感傳感器、水位傳感器和運行環(huán)境溫濕度傳感器等）和1個ZigBee無線射頻模塊構(gòu)成。傳感器將采集的相關(guān)電纜數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee無線射頻模塊，再經(jīng)由ZigBee無線射頻模塊中內(nèi)嵌的電子芯片對傳入的數(shù)據(jù)進行修正處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給接收端；接收端部分由1個ZigBee射頻模塊和1個RS232串口模塊組成，接收模塊即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它構(gòu)建1個星形結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)接收各個節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)，并由RS232傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)。這便是ZigBee通信系統(tǒng)一個發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的全部過程。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件部分采用CC2530微處理器，該模塊待機時的電流消耗僅為0.2 μA，在32 kHz晶體時鐘狀態(tài)下運行，可達到<1 μA的電流消耗，具有低功耗的優(yōu)點，且CC2530可滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHzISM波段，還可滿足低成本、低功耗的需求。1個電子芯片上可嵌入包括ZigBee射頻模塊（RF）前端、CC2530微控制器和內(nèi)存。為了使該硬件系統(tǒng)適用于各種環(huán)境工作，它集成了1個8051控制器和1個高性能的2.4 GHzDSSS（可實現(xiàn)直接序列擴頻）的射頻收發(fā)器核心，具有可編程閃存為128 kB和8 kB的RAM，還包含休眠模式定時器（32 kHz晶振）、ADC、上電復位電路、掉電監(jiān)測電路、定時器、I/O引腳20個（可編程），可使ZigBee網(wǎng)路節(jié)點達到微型化的目的。

硬件系統(tǒng)的傳感器部位將信號放大調(diào)理器、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字通信接口集成在一起。圖1為CC2530的電路圖。

3.1 發(fā)送端節(jié)點的硬件設(shè)計

發(fā)送端節(jié)點的傳感器模塊對電力電纜的相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集。由于發(fā)送端節(jié)點集成了CC2530處理器模塊，所以，可實現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進行預處理的功能。通過處理器模塊對采集的數(shù)據(jù)信號進行模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，再對數(shù)據(jù)進行處理，接收端接收到的是處理后的數(shù)據(jù)，天線模塊對處理后的數(shù)據(jù)進行無線傳輸。電源模塊主要給整個硬件系統(tǒng)供電。發(fā)送端節(jié)點可直接組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的1個基本單元，該硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計圖如圖2所示。

圖1 CC2530應用電路圖

圖2 發(fā)送端整體設(shè)計圖

3.2 接收端節(jié)點的硬件設(shè)計

在基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不能僅設(shè)計1個單獨的通信網(wǎng)絡(luò)模式，需要1個主機顯示屏中顯示無線監(jiān)測傳感器所獲取的數(shù)據(jù)。采用LCD模塊能顯示功能菜單，從而使電力技術(shù)人員通過操作按鍵與組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳感器建立有效的交互界面，并通過LED燈可查看網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，如果組網(wǎng)成功，則LED燈會給予提示。

接收模式的CC2530微處理器模塊中，混頻器將傳入經(jīng)過低噪聲放大器處理后的RF接收信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。在處理中頻信號時，先對信號進行放大和濾波后傳入解調(diào)器中解調(diào)，數(shù)據(jù)被解調(diào)后傳輸?shù)轿灰萍拇嫫鳎笥蒖FBUF存儲。MCU將數(shù)據(jù)載入到UART的數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF中，并將采集的數(shù)據(jù)由RS232模塊串口傳入上位機中。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過RS232串口將接收端連接至上位機。為了使電力技術(shù)人員能確定地下電纜的位置，接收端需要接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)傳感器的地址信息，存儲地址表并用IAR7.51A軟件完成開發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計，并使用TI的Z-STACK協(xié)議棧。

5 電纜溫濕度數(shù)據(jù)的采集試驗分析

經(jīng)過以上步驟，可成功建立ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，硬件實物圖如圖3所示，圖3中傳感器為溫濕度傳感器。

本次以測試電力電纜溝內(nèi)的溫濕度環(huán)境為目的，同時，對通信質(zhì)量進行測試。為了找出更加可靠、穩(wěn)定的通信距離，將按不同的距離安置終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器，以便于檢測通信質(zhì)量。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)送節(jié)點之間的距離在100 m之內(nèi)都可確保測量的電纜溝具有良好的通信質(zhì)量。在試驗中，每小時進行1次數(shù)據(jù)采集。在采集節(jié)點不工作的情況下，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)成休眠狀態(tài)。

圖3 硬件實物圖

在電力電纜采集到不同位置的溫度和濕度值后，可將數(shù)據(jù)與實際的溫度和濕度進行比對，并對比采集的數(shù)據(jù)誤差，從而獲得檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度，具體如表1所示。

表1 電纜溫濕度監(jiān)測值與實際值的比對

對比試驗電纜監(jiān)測溫濕度結(jié)果與實際值后發(fā)現(xiàn)，溫度誤差值均控制在0.5 ℃以內(nèi)，濕度值的實際值與測試值誤差控制在0.5%的范圍內(nèi)。

在電力電纜的監(jiān)測中，該誤差值不會對系統(tǒng)監(jiān)測造成影響，屬于系統(tǒng)測量的控制范圍內(nèi)。在監(jiān)測運行電力線路的溫濕度數(shù)據(jù)時，應對通信質(zhì)量進行試驗，根據(jù)選取電纜溝內(nèi)的不同位置檢驗該系統(tǒng)的測試精度，通過調(diào)整節(jié)點的安放位置，使之達到最佳的通信質(zhì)量。

6 結(jié)束語

本文介紹了ZigBee通信技術(shù)的特點，經(jīng)過硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，證明該系統(tǒng)的適應性強，具有靈活的組網(wǎng)方式。通過采集電纜溝溫濕度的試驗說明，該無線傳感器系統(tǒng)具有較好的實用性。在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)了電力線路監(jiān)測所需要確定的終端節(jié)點設(shè)備的有效距離和監(jiān)測精度。在今后的工作中，可將該ZigBee與GPRS技術(shù)相結(jié)合，選擇適當位置放置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，從而實現(xiàn)遠距離的無線傳輸功能。將其用于電力電纜監(jiān)測中，可根據(jù)電力企業(yè)輸電線路的實際情況設(shè)定設(shè)備參數(shù)，可極大地降低人工巡檢的勞動強度、保障人員的人身安全、節(jié)約大量的人力、財力、物力等直接經(jīng)濟成本，不會因線路故障停電而造成重大經(jīng)濟損失，在推進電力企業(yè)自動化發(fā)展的進程中起到了重要的作用。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕