基于ZigBee的煤礦高壓開關柜無線監測系統設計

白 澤

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤礦高壓開關柜在礦井中廣泛應用，其作為重要的配電設備，承擔著電力分配的重任，因此高壓開關柜的運行情況關系著煤礦生產進程以及生產安全[1-2]。煤礦生產企業對電力供應的穩定性以及可靠性要求較高，目前在實際生產過程中，對煤礦高壓開關柜的監測有所欠缺，開關柜的故障情況時有發生，甚至引起非計劃停電，給企業造成了較大的人力、物力的浪費，嚴重損害了企業的經濟效益[3-4]。

本文針對這一現狀，設計了一套基于ZigBee 無線傳輸技術與微處理器技術的煤礦高壓開關柜的監測與報警系統。系統可實現對開關柜關鍵電氣設備的連續在線狀態監測，并根據相關規范以及實際情況設定了預警值，對故障及時甄別與預警，有效保障煤礦生產安全和生產效率。

1 總體方案

煤礦高壓開關柜包含的電氣設備眾多，包含熔斷器、斷路器、真空接觸器、柜體等設備。目前針對高壓開關柜的監測主要通過布置溫度傳感器進行測量，且一般采用有線傳輸，存在布線復雜、成本較高、靈活性差的缺點，已經不能滿足生產需要。而ZigBee 技術作為一項新興的短距離無線通信協議，適用于傳輸范圍較短、數據傳輸速率低的場景，且具有低功耗、低成本、支持多種拓撲結構的特點[5-6]。ZigBee與其他無線通訊協議相比最大的優勢是它結構相對簡單，且能夠實現快速組網，可靠性較高，廣泛應用于工業監測領域。

本文基于ZigBee 無線通訊協議對煤礦高壓開關柜的無線監測系統進行了設計，將系統分為三層結構，包括現場應用層、網絡傳輸層以及監測處理層。現場應用層利用不同傳感器對反應高壓開關柜運行狀態的參數進行檢測；網絡傳輸層利用無線傳輸網絡以及無線收發設備進行數據的傳輸；監測處理層對來自通信網絡的數據進行轉換、處理、運算等給出判定結果，據此完成對設備狀態的評估以及預警功能[7-8]。監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 監測系統總體結構圖

2 系統整體設計

監測系統由3 層結構組成。現場應用層即傳感器布置層，傳感器檢測到設備信號，經過放大調理模塊的預處理后,傳輸給與傳感器相連的網絡傳輸層；網絡傳輸層無線收發模塊通過無線傳輸將數據給無線接收基站（主站），由無線接收基站與微處理器連接，系統軟件根據數據處理流程對數據進行轉換、處理、運算，根據運算值分別判斷運行狀況正常與否，決定是否發出預警；微處理器可與上位機之間實現信息交互并可完成與工程技術人員的信息交互。

2.1 系統硬件選型

監測系統的硬件組成設備包括傳感器、無線收發芯片、底板、天線、微處理器，電源、通訊接口等。無線收發模塊作為現場應用層與網絡傳輸層連接轉換的重要設備，根據需要選擇某公司生產的CC2430芯片，它包含1個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發器核心和1個8位的8051微處理器，實現了對處理器、模擬電路、存儲器、RF的整合封裝，擁有21可編程I/O引腳，具有開發成本較低、功耗較低、可靠性好的特點。微處理器選用STM32F系列32位ARM微控制器，意法半導體(ST)公司設計制造，集成了定時器、ADC、SPI、USB、UART等多種功能。

2.2 監測模塊

監測模塊傳感器節點由傳感器、無線收發芯片、天線以及電源模塊等共同組成。傳感器完成對監測測點位置的溫度、振動值、電流信息的感知并將其轉換為電信號，其中溫度傳感器布置點為高壓開關柜的觸頭位置的附近，振動傳感器安裝在高壓開關柜斷路器的外部，絕緣監測則依靠電流傳感器對泄露電流的檢測完成。來自傳感器的信號，經調理電路轉化為標準數字信號到無線收發部分，通過無線收發芯片搭配天線完成對來自傳感器信息的無線傳輸，并最終將信息匯總到監測主站的微處理器中，通過軟件程序計算完成對信息的轉換、處理，運算操作并根據運算結果給出指令，各監測節點與監控主站通過ZigBee 無線通信網絡實現通訊。電源模塊則負責提供穩定可靠電力供應。

監測模塊的傳感器節點作為ZigBee 網絡的子節點，而監測主站作為網關節點，控制其他子節點并完成對數據的接收、轉換、處理、運算等功能。各節點的CC2430模塊在接收模式時通過天線接收RF 信號，再通過低噪聲放大器變頻為2 MHz的中頻信號，之后經過濾波、放大、A/D轉換成為數字信號。而在發射模式時，經過調制的基帶信息，經由D/A 轉換器再通過單邊帶調制器完成低通濾波變頻為RF信號進行發送。監測模塊傳感器節點的結構如圖2所示。

圖2 監測模塊傳感器節點結構圖

3 網絡通信

圖3 STM32F103與CC2430連接接口圖

監測模塊傳感器信號通過調理電路完成格式的轉換，傳輸給無線收發模塊。CC2430 無線收發模塊通過FIFOP、FIFO、CCA 以及SFD 這4 個引腳表示數據的收發狀態。監測主站微處理器作為主設備和CC2430從設備通過SPI接口連接實現交換數據，通過SPI 接口訪問CC2430 的寄存器和存儲器，CC2430接收來自處理器的SCLK和CS信號。各監測分站與監測主站之間基于IEC802.15.4協議實現無線通信。監測主站通過RS485 串行接口實現與上位機的連接。STM32 與CC2430連接接口圖如圖3所示。

4 軟件設計

系統軟件設計利用LAR Embedded Workbench集成開發環境實現，該軟件功能強大、操作簡單具有豐富的源代碼，簡單易學、連接也較為方便，是目前較為方便且實用的嵌入式開發應用環境。它可與多種調試器、仿真器結合，能夠同時完成微處理器以及ZigBee 終端的軟件程序開發、調試、測試工作。將硬件設備與電腦連接，通過該工具結合C 語言知識完成程序編寫，完成對工程創建設置、程序的編譯、協議棧(Z-Stack)函數的調用與在線的仿真調試等一系列操作。監測系統軟件工作主流程如圖4所示。

圖4 無線傳感器網絡工作流程圖

5 結束語

本文設計了一套主要用于煤礦高壓開關柜的監測系統，系統基于ZigBee無線通訊技術，能夠實現對反應高壓開關柜電氣設備的狀態參數的采集、處理與運算，完成監測與預警過程。系統基于無線監測避免了有線監測的不靈活和高耗費，監測效果好，自動化程度高，有效改善了高壓開關柜故障率高、檢修費時費力的問題，提高了煤礦高壓開關柜配電的穩定性與可靠性。