應用于電力設備的智能無線溫度預警系統

于本成 許小媛

摘 要：電力設備在長期運行中，由于連接部位溫度過高等原因造成事故發生，文章完成的智能無限溫度預警系統對電力設備溫度的預警降低了事故損失，工作包括了節點的軟、硬件設計、實現與測試。預警系統將信息采集模塊、ZigBee無線通信模塊及其外圍電路、上位機監測軟件等通過ZigBee技術組網，將終端節點采集到的信息通過ZigBee射頻模塊進行無線發送，同時，協調器通過USB與監控主機相連，利用蜂鳴器實現報警。

關鍵詞：預警系統；ZigBee技術；信息采集；監測

中圖分類號：TP 393.0 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

ZigBee是應用于短距離低功耗的無線通信技術，其基礎是IEE802.15.4無線標準協議。比之其他近距離通信技術，ZigBee有著其他技術無法相比的優勢，它可以方便的嵌入到各種設備中，主要適用于自動控制及遠程控制領域[1]。

ZigBee技術的主要特點包括以下幾個部分[2]：

（1）能耗低：ZigBee網絡不傳輸數據時是處于休眠模式的，只有當工作時才會被喚醒。

（2）成本低：ZigBee通信模塊價格在40RMB左右。

（3）低工作速率：20—250kbps。

（4）距離近：每個節點工作距離大概在10—100m，增加RF發射功率后，能增加到1—3km。

（5）時延短：休眠和工作狀態轉換只需15ms，入網約30ms。

（6）網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持65535個設備，也就是說，每個Zigbee設備可以與另外65535臺設備相連接。

（7）高安全性：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性。

（8）優良的網絡拓撲能力：ZigBee具有星型、樹型和網格網絡的拓撲結構，并且ZigBee無線網路具有自組織和自愈的能力。

2 電力設備智能無線預警系統的硬件系統設計

（Hardware system design of intelligent wireless

warning system for electric power equipment）

2.1 ZigBee無線芯片

CC2530能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。它結合了RF收發器的優良性能，應用了業界標準的增強型8051MCU，具有開發難度低的SoC特性，CC2530同時適用工作頻率2.4GHz的其他設備[3]。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/CC2530F64/CC2530F128/CC2530F256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有各種不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。CC2530芯片部分的參數如下：（1）可最大化通信范圍的101dbm鏈路預算；（2）可最小化干擾源影響的業界一流的選擇性；（3）靈活的低功耗模式；（4）功能強大的五通道DMA引擎；（5）可用于遠程控制得IR生成電路；（6）可編程輸出功率達+4dbm。CC2530開發板的硬件組成如圖1所示。

2.2 ZigBee無線通信模塊設計

終端節點、路由節點和協調器節點都是基于ZigBee的無線通信模塊。這三類節點硬件結構相似，只有在功能上不同。其中終端節點通過杜邦線連接了溫濕度傳感器、煙霧傳感器，傳感器采集到的數據經過信號處理電路后接到CC2530引腳，CC2530通過射頻天線發送給路由節點。無線通信模塊的硬件結構如圖2所示。

圖2 無線通信模塊的硬件結構框圖

Fig.2 Hardware structure of wireless

communication module

2.3 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器節點的作用是自動采集周圍環境中的溫濕度信息，并將信息傳回協調器及上位機。本系統采用的溫濕度傳感器是一種數字溫濕度傳感器—DHT11。

DHT11溫濕度傳感器是一款擁有自己專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術的包含已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，有著高可靠性和穩定性。傳感器內部包括電感式感濕元件和NTC測溫元件，能夠準確的檢測到環境中溫濕度的數據，內部元件與高性能8位單片機相連，使其具備了響應快、抗干擾強、性價比高等優點。該傳感器體積小、功耗低、傳輸距離遠，可應用在多種場所[4]。

DHT11數字溫濕度傳感器連接方法簡單，采用4引腳的結構。第一腳連接的是電源正極；第四腳連接的是電源地端；數據端連接在第二腳上，直接與CC2530的I/O口相連，第三腳為空腳。其實物圖如圖3所示。

2.4 煙霧傳感器模塊

本系統通過煙霧傳感器檢測環境中煙霧的濃度，以此判定是否發生火災。煙霧傳感器的主要作用就是檢測環境中是否含有有害煙霧，如火災發生時產生的濃煙。本系統選用的是MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器使用的是SnO2（二氧化錫）金屬氧化物半導體材料，屬于N型半導體材料。當周圍環境中存在由燃燒物燃燒產生的有害氣體時，內部的電導率隨著煙霧濃度增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換成相應的輸出信號[5]。

MQ-2煙霧傳感器具有靈敏度高、響應速度快、壽命長、驅動電路簡單等優點，可探測液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、CO、氫氣、煙霧等有害氣體。傳感器采用旁熱式氣敏器件，內部有加熱器，為氣敏元件提供工作環境。封裝好的氣敏元件有六只針狀管腳，其中兩個引腳提供加熱電流[6]，其余四個用于信號取出。其實物圖及電路圖如圖4和圖5所示。

3 系統運行測試與分析（Test and analysis of system

operation）

3.1 系統測試的目的

文中設計的系統主要采用的是ZigBee無線通信技術，無需布線。在指定位置安裝帶有溫濕度傳感器和煙霧傳感器、蜂鳴器的終端節點，利用這些終端節點采集相應的溫濕度、煙霧濃度等數據，并將采集到的數據通過ZigBee的射頻模塊進行無線發送到中央位置的路由器節點，由路由器將收到的信息發送到協調器節點，通過串口與監控主機相連，以此實現報警，從而監控整個電力系統。

本系統將各個具有不同功能的節點分散在不同位置，使其自組網成為一個無線傳感網絡。目的是獲取周圍環境的數據并進行傳輸。其中匯聚節點協調器，接受來自終端節點的信息并進行分析傳輸；而接有傳感器的節點作為終端節點，

進行信息的采集以及數據的傳輸。節點采用寫入ZigBee的相關協議棧的CC2530開發板。

3.2 系統測試與結果分析

系統測試的過程如下：（1）預警系統通過LabVIEW監測軟件運行，串口為COM5，此時煙霧傳感器沒有亮，即為沒有檢測到有害氣體，溫濕度沒有達到臨界值，狀態顯示為不報警，蜂鳴器不響，報警燈不亮。（2）當系統檢測到有害氣體時，煙霧顯示為“有”，但是溫度、濕度沒有達到所設定的30℃和70%RH時，報警器依然不工作。（3）此時，煙霧傳感器MQ-2檢測到有有害氣體，并且溫濕度傳感器檢測到溫度達到30攝氏度，濕度也達到70%RH的臨界值，報警燈工作，蜂鳴器發出響聲。

結果分析：由以上運行過程可知，當溫濕度與煙霧的條件同時為真時，報警燈工作，蜂鳴器鳴叫。以此提示管理人員對于系統發生的火災采取急救措施，減少人員和財產的損失。兩個條件的關系為“與”。當單一條件滿足時，即兩個條件結構有一個為假，一個為真時，系統不會報警。例溫濕度達到臨界值，但是煙霧傳感器檢測不到有害氣體，系統是不工作的，蜂鳴器不會響。

4 結論（Conclusion）

文中設計并實現的溫度預警系統改變了傳統溫度檢測方式，利用了ZigBee技術實現了自組網，大大節省了人力物力，終端節點檢測到溫度與煙霧同時為真時再利用蜂鳴器的聲音報警，提高了溫度預警的實時性與可靠性。

參考文獻（References）

[1] 劉旭輝.基于ZigBee技術的井下信息采集系統[D].哈爾濱理

工大學，2014.

[2] 李經祥.基于ARM和LINUX的智能家居系統設計[D].山東大

學，2011.

[3] 王穎，陳梁潔，丁孟飛.基于GPRS的智能家居環境監測控制系

統設計[J].電子制作，2013，24：32.

[4] 韓丹翱，王菲.DHT11數字式溫濕度傳感器的應用性研究[J].

電子設計工程，2013，13：83-85；88.

[5] 鄭輝，王彩霞，馬斌.基于紅外技術的城市公交系統的實現[J].

華北水利水電學院學報，2012，01：43-45.

[6] 沈勇.基于Zigbee和Labview的高校宿舍火災無線報警系統[J].

電子技術，2012，07：55-56；50.

作者簡介：

于本成（1981-），男，碩士，副教授.研究領域：計算機網絡

技術.

許小媛（1980-），女，碩士，副教授.研究領域：計算機軟件

應用.