基于ZigBee无线通信技术的电力母线温度监测系统

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摘要：随着电力工业的迅速发展，人们对供电系统的安全性、可靠性要求越来越高。系统中发电厂和变电站的高压开关柜处于长期高电压运行过程中，其母线接点、高压电缆接头等部位接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，从而造成绝缘体击穿事故。因此，在线监测电气设备运行温度己成为电力系统安全运行环节中有待解决的重要问题。当电力母线温度超过允许值时，监测系统须及时发出报警信号提醒工作人员采取措施避免发生事故，由此对人们的财产和生命安全有着重要意义。

关键词：电力 通讯 无线检测

中图分类号：F407文献标识码： A

引言：高电压运行过程中由于高压电会产生强电磁场，对无线电波干扰很大，因此需要选择适当频率的无线网络实施。此外，测温设备用电池供电，须体积小、易安装、功耗低、待机时间长。ZigBee无线网络具备低成本、短时延、免执照频段、高安全、近距离、低复杂度，低功耗等优点，满足高压母线测温的条件，是解决的良好途径。

一、系统设计

1. 系统框架

本文提出一种较理想的电力母线实时温度在线监测方案：以 ZigBee技术为无线传感器网络，以太网或高速RS-485网络为骨干网， CC2430低功耗单片机

为传感器控制核心，采用一线式数字温度传感器DS18B20为温度采集装置的高压母线温度测量方案。

2. 该无线温度测量系统由三部分组成：

1）.无线传感器节点：负责采集监测点的温度数据，通过ZigBee网络发送；

2）ZigBee网络管理器：负责收集无线传感器节点发出的温度数据，上传到测温主机。

3）.数据管理系统：负责对数据接收终端进行工作参数设定，接收从系统中各个 ZigBee网关终端上传的测温数据，并作保存，分析和管理等；

测温数据可在系统实时数据库中作长期存储记录，供随时查询显示。无线温度采集器可直接安装在电力母线上，一个ZigBee网络管理器能管理多个无线传感器节点，网络管理器通过高速骨干网络传输到系统实时数据库服务器，由监控终端实时显示数据，温度变化曲线图，能打印相关报表，当母线温度异常时，管理终端通过多种报警方式提醒相关人员采取措施。

4）.无线传感器节点

无线温度传感器节点是该网络的基本单元，它负责获取温度数据和数据的预处理，并将其传输到ZigBee网络管理器。无线温度传感器节点由下列部分组成：内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz射频(RF)收发器的CC2430无线单片机；美国Dallas公司推出的DS18B20单线数字温度传感器等。DB18B20直接通过单线与CC2430单片机I/O口连接，不必另增加专门的总线控制器，从而减小无线温度传感器节点的体积，以节约硬件成本。其系统结构如图1所示：

图1无线温度传感器结构

3. ZigBee网络管理器

在该系统中的ZigBee网络管理器集成了网络中网关和协调器的功能，具备至关重要的作用：一方面采用 ZigBee无线网络方式与无线温度传感器节点连接，并且以固定的时间间隔对无线温度传感器节点进行测温以及读取它的工作参数，同时存入内存，这需要每个终端为所管理的无线温度传感器节点设置编号表，以免发生错乱；另一方面采用或以太网与测温主机连接，受控于测温主机的命令而做出一系列的反映，具备接收并存储传感器数据、管理相对应的ZigBee子网、传输数据给测温主机、报警功能、设定和修改终端工作参数、工作状态指示和显示时钟等功能。网络管理器结构如图2所示：

图2ZigBee网络管理器结构

无线温度传感器节点的工作参数（发射频率、发射功率、采样间隔）可事先通过拨码开关设置，该节点与ZigBee网络管理器之间以发送无线数据包的方式通信，其数据格式为：

开始标志STX(AAH)

传感器编号 ID（4Byte）

温度数据：温度数据Temp占2个字节，其最高位（D15）表示正负

状态字节：从采集器发往接收终端的状态字节的含义（D7为故障标志，D6～D0为故障码，D4～D3为采样间隔，D2为发射功率，D1D0为电池电量）

校验码 CRC8（1Byte）

结束标志 ETX（55H）

二、关键技术设计

1. 系统网络设计

发电厂和变电站的高压开关柜中的电力母线众多，网络传感器需大量分布，具备监控数据量大及实时性好的特点。ZigBee网络采用片状结构和网状网络结构，可组成 65000个节点的大网络，能满足网络传感器节点的需求。但ZigBee协调器（主节点）与 ZigBee路由、ZigBee网关之间的线路传输数据量大，速率最高仅为250kbps，无法满足该系统的要求；并且ZigBee网络采用CSMA／CA的媒质访问控制机制、确认帧的应答方式和CRC-16 ITU的校验机制，所有节点在一个网络中的冲突域很大，影响传输效果。

为提高骨干网的传输效率，减小无线网络传输信号碰撞，缩短延时时间，更利于提高数据传输效率，方便系统管理与维护，在设计该系统时对做了以下改进：

将整个无线传感器网络分成多个子网，引入蜂窝网络结构，每个六边型区域构建一个ZigBee网络（如图 3所示），相邻区域使用不同的频率，不相邻区域使用相同的频率。

图3蜂窝网络结构（小区制）

2.可靠性设计

系统中温度传感器节点与ZigBee网络管理器间的数据通信在无线传输过程中，由于受传输距离、现场状况等诸多因素的影响，传感器节点与ZigBee网络管理器之间通信常会发生无法预测的错误。因此，在设计ZigBee通信协议栈时需从以下几点考虑数据传输的可靠性：

1)在物理层对发送数据进行CRC校验以保证传输的正确性。

MAC层数据通信采用GTS模式，保证ZigBee无线网络中数据通信的可靠性。

传输层提供可靠传输服务，要求接收方响应确认帧。

2)传感器节点调用ZigBee协议栈应用层数据服务接口，便将温度数据传输到 ZigBee网络管理器。

ZigBee网络管理器和监视中心主机之间的数据通信是基于以太网或RS-485网络，采用 AX88796以太网控制器（或工业级 MAX485）芯片实现数据传输，各种机制和算法保证了数据可靠传输。无线温度传感器节点和zigbee网络管理器设置的有“看门狗”软件，硬件电路作了抗干扰设计。系统数据库采用稳定可靠的实时数据库Infoplus，管理终端与服务器分开，保证系统稳定可靠运行。

3.节点低功耗设计

在电力母线温度监测系统中，传感器节点安装后需长时间的持续工作，除了选择高能量电池，更应重点考虑节点的节能问题。若要降低温度采集器的能耗，须选择低功耗芯片，以减少芯片的工作时间。采用内部集成符合IEEE802.15.4标准2.4GHz射频 (RF)收发器的CC2430无线单片机和数字温度传感器DB18B20芯片，能满足传感器网络对低功耗的要求；CPU以最快速度执行任务，然后进入休眠模式，通过中断唤醒单片机和射频收发器。在设计ZigBee通信协议栈时，各层均实施节能机制，降低节点能耗，降低信号发射功率。MAC层数据通信采用GTS模式，在保证时隙内发送数据，其它时隙进入休眠模式。芯片还采用CSMA-CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突，减少了不必要的能量消耗。经上述节能措施，再选用高能量电池，可极大增加无线温度传感器的工作时间。

结束语 ：

无线温度传感器网络以ZigBee网络通信为核心，结合蜂窝网络结构和高速局域网的优点,减少信号碰撞，增强系统骨干网传输能力；采用低成本、低功耗的CC2430无线单片机和数字温度传感器获取数据，实现了高压测温一次设备和二次监测设备的电隔离、保证系统的安全可靠性；实现了高压母线温度监测数据的自动化测量，很好解决了高压环境下，母线温度实时监测的问题

参考文献：

[1] 凌志浩, 周怡，郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究【J】. 华东理工大学学报(自然科学版). 2006-7

[2] 张令意，昂志敏，金海红． 新型无线通信技术ZigBee【J】．现代通信．2007

[3] 王舒憬，党彦博，黄河，刘涛．ZigBee无线传感器网络结合GPRS实现远程监控【J】．仪表技术．2008年第3期

[4] 王岩，张国山.基于ZigBee协议的无线传感器网络设计【J】．微计算机信息．2008，4-1