基于ZigBee的高壓控制柜溫度監測系統設計

李 昕，陳 堅，陳 義

（1.湖南工學院 計算機與信息科學學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南工學院 工程訓練中心，湖南 衡陽 421002）

基于ZigBee的高壓控制柜溫度監測系統設計

李 昕1，陳 堅2，陳 義2

（1.湖南工學院 計算機與信息科學學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南工學院 工程訓練中心，湖南 衡陽 421002）

文章對現有高壓設備溫度監測技術進行了分析和研究，研制了基于ZigBee的高壓控制柜溫度監測系統，介紹了溫度監測的工作原理并給出了系統設計方案。該系統主要由下位機數據采集和上位機數據處理兩部分組成。下位機以ZigBee為控制核心，首先由ZigBee終端負責溫度數據的采集，而后通過無線發射傳輸方式，將溫度信息送到高壓控制柜上的ZigBee協調器顯示出來。上位機與協調器通過485總線通信，借助LabView可視化圖形界面，準確地報告運行中所有被測高壓設備易發熱部件的溫度升高情況，為決策層提供最直接、可靠的數據信息，消除隱患從而最大限度地減少火災等事故。實驗表明，該系統能夠對高壓開關設備在運行過程中易發熱部位的溫度進行實時監測，確保高壓開關設備安全、可靠地運行。

溫度監測；ZigBee；高壓控制柜；RS485；LabView

發電廠、變電站的高壓開關柜中電氣設備連接點是電力輸送最薄弱的環節，在設備長期運行過程中，開關柜中的斷路器與開關柜之間的連接插頭等部位會因制造、運輸、安裝不良及老化引起接觸電阻過大而發熱，隨著負荷的增大，導致連接點發熱并形成惡性循環：溫度升高、膨脹、收縮、氧化，電阻增大、再度升溫。如果這些發熱部位的溫度無法監測，得不到及時檢修，最終可能會導致燒毀開關柜的火災事故發生。由于開關柜全封閉運行，內部空間狹小、走線較多并且具有裸露高壓，無法進行人工巡查測溫，因此溫度在線監測成為人工干預保證高壓開關柜安全運行的重要手段。

1 系統總體結構設計

該設計由下位機數據采集和上位機數據處理兩個主要部分組成，下位機以ZigBee[1]為控制核心，ZigBee終端負責溫度數據的采集，而后通過無線發射傳輸方式，將溫度信息傳送到機柜上的ZigBee協調器顯示。上位機與協調器通過485總線通信，借助LabView可視化圖形界面，準確地報告運行中所有被測高壓設備易發熱部件的溫度升高情況，為決策層提供最直接可靠的數據依據，消除隱患、最大限度地減少事故。同時，借助LabView的Web發布工具，可以對系統進行遠程在線監控。系統框圖如圖1所示。

2 硬件系統設計

2.1 CC2530無線傳輸電路

根據系統需要，該設計分為ZigBee終端和ZigBee協調器兩大模塊電路，其中，6個ZigBee終端模塊相互獨立，每個ZigBee終端由CC2530無線傳輸電路和DS18B20傳感器電路等組成；ZigBee協調器主要是對ZigBee終端發送過來的數據進行顯示并傳送給上位機，主要由CC2530無線傳輸電路、MAX485通信[2]電路、LCD12864液晶顯示電路等組成。該部分電路設計如圖2所示。

圖1 系統框圖

圖2 CC2530無線傳輸電路

2.2 無線溫度傳感器

無線溫度傳感器由數字溫度傳感器DS18B20和CC2530及外圍電路組成，結構如圖3所示。

圖3 無線溫度傳感器結構

對于環境溫度的檢測，該設計選用數字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器與單片機通信采用單總線數據傳輸方式[3]，在該電路設計中，采用CC2530的P0_6口作為數據讀取口線，并給DS18B20提供3.3 V電源電壓，當溫度傳感器檢測到溫度信息后，其信息會立即通過P0_6接口傳送給CC2530芯片作進一步處理，通過軟件算法得出實際溫度值。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

2.3 無線智能接收機

無線測溫智能接收機由CC2530單片機、LCD12864液晶顯示、電源和通信芯片接口組成，該設備可及時將檢測器采集的溫度信息進行顯示、處理，之后通過RS-485接口發送給上位計算機，接口可以支持128個無線測溫智能接收機聯網運行，系統可及時得到各被測點的即時溫度信息。無線測溫智能接收機原理框圖如圖5所示。

圖5 無線測溫智能接收機原理

RS-485采用差分信號進行傳輸，最大傳輸距離可達到1.2km，最大可連接32個驅動器和收發器。該設計選擇MAX485為串口通信主控芯片，其中，CC2530的標準串行口P0_2通過RX直接連接MAX485芯片的RO引腳，P0_3通過TX直接連接芯片的DI引腳。由CC2530的P1_3口輸出R/D信號直接控制MAX485芯片的收/發使能，當R/D信號為“1”，則MAX485芯片的發送器有效，接收器禁止，此時CC2530可以向RS-485總線發送數據字節；反之，則接收數據。電阻R7能減少線路中傳輸信號的反射[4]。電路設計如圖6所示。

圖6 MAX485電路

3 軟件系統設計

系統軟件設計主要由系統下位機程序和上位機程序組成。下位機以ZigBee系列CC2530單片機為控制核心，負責對環境溫度的采集和顯示，軟件實現部分主要由ZigBee無線通信協議棧程序、溫度監控程序、串口通信程序等組成。上位機則采用LabView圖形化設計語言實現人機交互界面設計[5]，由串口通信程序、數據處理和顯示程序等組成。

3.1 下位機ZigBee軟件設計

3.1.1 Zigbee協議棧流程

協議是一系列的通信標準，通信雙方需要共同按照這一標準進行正常的數據發射和接收。ZigBee協議棧就是將各個層定義的協議都集合在一起，以函數的形式實現，并給用戶提供API（應用層），用戶可以直接調用。在開發一個應用時，協議較底下的層與應用是相互獨立的，因此只要在應用層進行相應的改動，就可以實現組網，達成溫度數據的發送和接收。協議棧流程如圖7所示。

圖7 協議棧流程

3.1.2 DS18B20程序流程

溫度傳感器DS18B20遵循嚴格的單總線協議，以確保通信數據的準確性，CC2530通過時序來寫入和讀出DS18B20中的數據，傳感器復位后，接收應答信號，跳過讀ROM中序列號后，啟動溫度轉換，等待溫度轉換完畢后，保存溫度數據。其流程如圖8所示。

圖8 溫度測量流程

3.2 上位機LabView軟件設計

系統上位機和下位機之間數據通信采用的是串口通信，硬件采用RS485轉USB接口。首先安裝RS485轉USB驅動，然后配置VISA相關函數，就可以實現上位機和下位機的雙向實時通信。

上位機和下位機通信采用十六進制數據傳輸，由于上位機從串口讀取的為數據幀格式，即先截取字符串，然后索引數組，提取有效數據，再創建顯示控件，則可正常顯示當前溫度值。與此同時，將提取的實際溫度值與設置的閥值進行大小比較，比較結果送LED顯示，在在Labview中以顏色區分是否超過設定的溫度閾值。值得注意的是在利用LabView編寫測量應用程序時，對于大量數據或數據之間存在復雜關系時，往往需要通過數據庫來存儲、管理和查詢數據，LabView本身并不能直接訪問數據庫，但提供了一個數據庫訪問工具—LabSQL，它完全就是由許多VI組成的包，像調用普通VI一樣調用其中的VI。

4 測試結果

無線測溫傳感器和無線智能接收機調試后，將無線溫度傳感器以傳統的接觸方式安裝緊貼在控制柜內部易發熱的測溫點上，智能接收機安裝在控制柜面板上，系統上電后，智能接收機的液晶顯示結果如圖9所示，上位機Labview人機交互界面顯示結果如圖10所示。

圖9 無線測溫智能接收機液晶顯示

圖10 上位機顯示結果

5 結語

基于ZigBee的高壓控制柜溫度監測系統，采用CC2530作為主控芯片，硬件結構簡單，體積小、低功耗、易實現。所構成的無線傳感具有自組網的特點，無線測溫方式解決了高壓控制柜內設備的高低壓隔離問題，RS485總線通信方式方便系統擴展，整個系統實現了對高壓控制柜內設備易發熱部位的溫度進行實時監測的目的，經試驗，該調試系統可以正常運行。

[1]翁靜蘭.基于ZigBee技術的數據采集系統的研究[D].鎮江：江蘇大學，2009.

[2]盧嫚.基于RS-485總線的溫室多點監測系統設計與實現[D].咸陽：西北農林科技大學，2013.

[3]張曉宇.單總線數據傳輸方案研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[4]彭元杰，何怡剛，郭杰榮，等.傳輸線中信號反射的研究[J].現代電子技術，2007（21）：179-181，184.

[5]劉旭.LabView圖形化環境下虛擬溫度采集系統的設計[J].重慶職業技術學院學報，2007（3）：142-145.

Design of high-voltage control cabinet temperature monitoring system based on ZigBee

Li Xin1, Chen Jian2, Chen Yi2
（1.Computer and Information Science School of Hunan Institute of Technology, Henyang 421002, China;
2.Electronics and Information Engineering School of Hunan Institute of Technology, Henyang 421002, China）

Based on the analysis and research of the existing high-voltage equipment temperature monitoring technology, high-voltage control cabinet temperature monitoring system based on technology ZigBee is developed in this paper. And the principle of monitoring the temperature is introduced and the system design is put forward. The system is composed of the data acquisition of lower machine and computer data processing of upper computer. Firstly, the ZigBee terminal which is the controlling core of the lower position machine is responsible for temperature data acquisition. Then, by way of wireless transmission, the temperature information will be sent to the cabinet on the ZigBee coordinator. The upper computer communicates with the coordinator through 485 bus. With the help of LabView graphical user interface, the system will accurately report all parts of measured temperature of high voltage equipment, providing the most direct and reliable data for decision-making and eliminating hidden dangers to reduce the number of fire accidents. Experiments show that the system can monitor the temperature of the high voltage switch equipment to ensure the safe and reliable operation of the high-voltage switch equipment.

temperature monitoring; ZigBee; high pressure control cabinet; RS485; LabView

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗項目；項目編號：H1509。湖南省教育廳科研項目；項目編號：13C210。湖南工學院大學生研究性學習和創新性實驗項目；項目編號：H1427。湖南工學院大學生研究性學習和創新性實驗項目；項目編號：H1450。

李昕（1979— ），女，湖南常寧，碩士，講師；研究方向：計算機應用技術。