基于ZigBee的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙應(yīng)艷

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

高壓開(kāi)關(guān)柜是變電站重要的電力設(shè)備，起著分配電能、線路故障保護(hù)、控制負(fù)荷、運(yùn)行電量監(jiān)控等作用。高壓開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行過(guò)程中，由于電流過(guò)大或接觸不良等問(wèn)題常常出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)火災(zāi)，造成重大的安全事故。因此，需要對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生過(guò)熱狀況時(shí)能夠及時(shí)處置，確保開(kāi)關(guān)柜正常運(yùn)行。

1 溫度測(cè)量技術(shù)概述

紅外測(cè)溫技術(shù)是一種利用光學(xué)設(shè)備采集待測(cè)部位熱紅外輻射數(shù)值，然后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成具體溫度值的測(cè)溫方法。該方法要求采集設(shè)備要對(duì)準(zhǔn)待測(cè)部位，受干擾因素多，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控功能，如圖1所示。無(wú)線測(cè)溫技術(shù)是通過(guò)無(wú)線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，屬于接觸式測(cè)溫，原理是將溫度傳感器安裝在需測(cè)溫的部位，在距設(shè)備一定范圍的地方放置數(shù)據(jù)接收器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的溫度。光纖測(cè)溫技術(shù)是利用光纖的拉曼散射及布喇格效應(yīng)，將調(diào)制后的光通過(guò)光纖傳遞給光纖傳感器，產(chǎn)生與溫度相對(duì)應(yīng)的脈沖光信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，從而測(cè)出被測(cè)物體的溫度。每種測(cè)溫技術(shù)都具有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇具體的測(cè)溫方法，各種方法綜合性能比較如表1所示。

圖1 紅外測(cè)溫法

表1 不同測(cè)溫方式特點(diǎn)

2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本、安全可靠的雙向無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)以IEEE協(xié)議為主要依據(jù)，采用擴(kuò)頻技術(shù)，以2.4 GHz為主要頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率在10～250 kb/s，射頻發(fā)射功率低，支持多種休眠模式。一節(jié)普通容量的鋰電池能夠使用1～3年，成本低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大，具有自組網(wǎng)、自動(dòng)路由和自愈功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可分為完整功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）[1]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由溫度采集器、數(shù)據(jù)集中器、監(jiān)控主機(jī)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫度采集器用于采集溫度數(shù)據(jù)，直接感知觸頭附近的溫度變化，將溫度的變化變換成電信號(hào)，由內(nèi)部的ZigBee芯片通過(guò)射頻發(fā)射電路向外發(fā)射信號(hào)，數(shù)據(jù)集中器內(nèi)部的ZigBee芯片接收，信號(hào)經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析以后，就可以得到被測(cè)點(diǎn)的溫度值，為工作人員實(shí)時(shí)提供開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀況。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度超過(guò)設(shè)定閾值或發(fā)生異常變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示工作人員及時(shí)處理[2]。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由ZigBee溫度采集器模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以及帶GPRS的數(shù)據(jù)集中器組成，其中ZigBee溫度采集器模塊主要用于采集開(kāi)關(guān)柜各觸頭的溫度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)以射頻調(diào)制方式傳遞給數(shù)據(jù)集中器，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。溫度采集器主要包括數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）、ZigBee芯片（CC2530）以及供電電源，如圖3所示。

圖3 溫度采集器結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括溫度采集器、數(shù)據(jù)集中器及監(jiān)控主機(jī)三個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)。溫度采集器和數(shù)據(jù)集中器的軟件設(shè)計(jì)主要采用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee溫度采集器軟件設(shè)計(jì)，采集溫度處理軟件設(shè)計(jì)，報(bào)警、鍵盤(pán)及串口等接口軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。以ZigBee溫度采集器軟件工作情況為例，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后通過(guò)溫度傳感器采集各節(jié)點(diǎn)溫度，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給處理器處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，其工作流程如圖4所示[3]。

圖4 溫度采集器工作流程

4 測(cè) 試

利用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)基于ZigBee的開(kāi)關(guān)柜在線溫度測(cè)控系統(tǒng)軟件，監(jiān)控界面可以進(jìn)行串口、波特率、是否校驗(yàn)、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)流等參數(shù)設(shè)置，設(shè)置溫度報(bào)警閾值為30度，對(duì)5個(gè)不同觸點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，如圖5所示。

圖5 開(kāi)關(guān)柜在線溫度測(cè)控系統(tǒng)軟件

結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以有效測(cè)量各測(cè)點(diǎn)溫度，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，說(shuō)明所建測(cè)控系統(tǒng)滿足溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)控要求。

5 結(jié) 論

本文首先比較了現(xiàn)有測(cè)溫方式的特點(diǎn)，并根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)際工作狀況，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無(wú)線溫度測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳及上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警以存儲(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度，測(cè)溫精度高，可幫助工作人員實(shí)時(shí)掌握開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，滿足設(shè)計(jì)要求。