基于物联网的高压设备监测系统的研究

基于物联网的高压设备监测系统的研究
王钦;彭文竹;叶晓红;吴亚建
【摘要】针对传统高压设备温度监测系统布线复杂、安装成本高、绝缘性能差等现状,提出了基于物联网技术的高压设备温度监测系统.该系统由上位机监测中心和ZigBee无线网络组成,以低功耗单片机CC2530为核心,利用传感器DS18B20实现温度测量,通过ZigBee网络和GPRS将采集到的温度数据发送至远程上位机监测中心,实现高压设备温度的监测及控制.
【期刊名称】《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(034)003
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】高压电气设备;物联网技术;CC2530;ZigBee
【作者】王钦;彭文竹;叶晓红;吴亚建
【作者单位】集美大学诚毅学院,福建厦门 361021;集美大学诚毅学院,福建厦门361021;集美大学诚毅学院,福建厦门 361021;集美大学诚毅学院,福建厦门361021
【正文语种】中文
【中图分类】TM726
在高压输电系统中，变电站、发电厂的高压电气设备连接点如断路器动静触头、隔离开关、母线等是电力输送最薄弱的环节，在高压、强电流条件作用下，可能导致
该部件发热升温。

如果这些发热部位的温度得不到有效监测，可能导致火灾事故[1]。

目前该系统的温度测量通常采用红外测温、光纤测温和无线测温3种方式[2]。

光纤和红外测温方式在绝缘性能、安装方式、安装成本和稳定性方面有一定的局限性，不能满足现场需求[3]。

在此背景下，一些布线困难的应用场合通常采用无线
通信方式来达到对监测目标的远程监测。

本文提出一种基于物联网技术的高压设备无线温度监测系统，将测温模块直接安装在高压设备易升温节点处，数据通过ZigBee无线网络和GPRS进行传输，从根本上解决了高压绝缘问题。

ZigBee是
一种近距离、低功耗、短时延、低成本、高容量、高可靠性的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电子设备之间的数据传输[4]。

相比传统的测温方式，该无线测温系统能实时、有效、可靠地监测远程高压设备的温度。

1 系统总体方案
基于ZigBee技术的温度监测系统主要是对高压设备如高压开关柜、电缆、动静触头，母线等温度易升高处的设备进行监控和报警。

该系统主要由ZigBee网络和远程监控中心构成。

ZigBee网络由分布于各个高压设备温度易升高处的终端监测节点、若干个数据传输路由器节点、协调器网关节点构成。

网络的结构采用覆盖范围广、自愈能力强的网状拓扑结构。

终端节点采集高压设备温度易升高处的温度数据，直接发送或通过路由器多级路由转发至协调器，协调器网关节点无线通信模块接收数据后通过串口发送给GPRS模块，GPRS模块将接收到的数据发送至远程上位机监测中心。

上位机监控平台将节点发送上来的数据进行存储、整合与分析，实现高压设备温度的数据库管理、在线监测、报警提示等功能。

系统总体结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计
传感器节点的硬件构成主要由温度传感器模块DS18B20、微控制器和无线通信模
块CC2530、电源模块、报警模块以及LED灯、按键构成。

协调器网关节点在网
络中起到数据汇总中转的作用，它的硬件主要包括微控制器无线通信模块CC2530，GPRS模块MC35i，电源模块、串口电路、LED灯、显示屏。

传感器和协调器节
点的硬件结构图如图2所示。

2.1 传感器模块电路设计
温度传感器采用DS18B20，它支持-55℃～125℃的测量范围[5]，具有成本低、
抗干扰能力强、封装形式多样，使用方便等特点。

该传感器采用独特的总线接口方式，DS18B20与CC2530连接时只需要一条数据线即可实现双向通讯。

DS18B20的电路连接如图3所示。

图1 监测系统总体结构
图2 节点硬件结构图
图3 温度传感器原理图
2.2 微处理器模块设计
CC2530是美国德州仪器TI公司生产的支持IEEE802.15.4标准、ZigBee标准的
无线传感器网络协议片上系统解决方案。

它集成了优秀的RF收发器的优良性能与增强型高速8051微处理器、提供了极高的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，支持低功耗无线通信[6]。

CC2530具有 32/64/128 kB或256kB的在线可编程非易失性存储器，允许设备保存必要的数据，保证数据在设备重启后可以继续使用[7]。

CC2530具有5种不同的电源管理模式：主动模式RX 24mA，主动模式TX
29mA，唤醒0.2mA，睡眠定时器运行模式1µA，外部中断模式0.4µA[8]，从休眠模式转到工作模式只需要极短的时间，满足该系统低功耗的要求。

CC2530只需极少的外接元件即可实现无线收发功能，其接口电路如图4所示。

图4 CC2530无线传输电路
2.3 电源电路设计
节点主控芯片CC2530支持2.0～3.6V范围的电源驱动，一般输入电压典型值为3.3 V，系统中稳压芯片采用LDO低压差模拟电源芯片AMS117-3.3。

如图5所示，5V直流电源经过AMS117-3.3芯片转换为3.3V工作电压为整个电路提供电源。

3 系统软件设计
系统的软件设计是基于TI的Z-Stack3.0协议栈基础上实现的，Z-Stack3.0是符
合ZigBee协议栈规范的针对CC2530的硬件和软件平台。

Z-Stack3.0采用分层
的思想构建，分为物理层、MAC层、网络层、应用层、ZigBee设备应用层以及
由用户处理的应用层，用户通过应用层提供的API实现ZigBee的各种应用[9]。

Z-Stack的各层都设计了相应的任务和函数，由协议栈的操作系统抽象层OSAL负责调度各个任务的运行，通过不断地查询任务时间表taskEvents[]判断是否有事件发生，如果有事件发生，则查找对应的事件tasksArr[]处理函数对事件进行处理。

图5 电压转换电路
3.1 协调器网关节点软件设计
ZigBee网络中，协调器网关节点是网络的核心，负责网络参数的配置、网络的建立维护、指令发送、数据收发及远程交互等功能。

协调器上电后，首先进行协议栈、CC2530和MC35i模块初始化，选择能量较高且空闲的信道及一个网络编号PANID启动网络，然后允许其它设备连接。

ZigBee网络成功启动后，协调器节点随时接收网络中来自路由器节点和终端节点的数据及报警信息，并将其进行解析处理后封装成TCP/IP协议数据帧，通过GPRS模块再发送至远程上位机监控中心，同时协调器接收远程上位机的指令并将其转发至对应的节点。

其工作流程如图6(a)所示。

3.2 终端节点软件设计
终端节点成功上电后进行软硬件初始化，根据协议栈设置的PANID请求加入到已
有的ZigBee网络，节点成功入网后，其父节点为其分配一个16位短地址，此地址在网络中用于识别不同的终端节点和网内数据收发使用。

系统中终端节点使用电池供电，节点的低功耗设计至关重要，CC2530通过不同的电源模式可以实现低功耗设计。

终端节点加入网络后即进入CC2530的休眠状态PM2模式，定时唤醒进入PM0模式进行数据采集，判断数据是否超过设定的温度值，当数据超过设定的温度值时，启动自身的鸣蜂器，向协调器发出警报，并将温度数据发送给协调器，否则重新进入休眠模式，等待下次唤醒时间到来。

协调器收到警报和数据后，通过GPRS模块发送至远程监控终端，以便工作人员及时做出处理。

终端节点的流程如图6(b)所示。

图6 协调器节点和终端节点软件流程
3.3 路由器节点软件设计
路由器节点具有数据采集、路由发现和数据转发及拓展传输距离等功能。

路由器节点在网络中作为父节点允许其他节点加入网络并为其分配短地址，同时协助终端子节点通信。

本系统，ZigBee无线网络采用Cluster-Tree+AODVjr相结合的路由算法[10]。

终端节点使用Cluster路由算法，它不执行任何路由，需要发送数据给其它节点时，只需将数据上传给路由父节点，由其路由父节点发起路由过程。

路由父节点采用AODVjr算法进行数据转发，当路由器从子节点或者是其它路由节点收到单点发送的数据包时，如果目标地址与自己网络地址一致，则将数据上传至应用层，否则判断目标地址是否是子节点，如果是，直接发送给子节点，否则寻找自身的路由表有无到目的地址的路径，如果存在对应的路径，直接发送数据，否则发起路由寻找过程，数据包存储在节点缓冲区中直至路径发现过程完成，路由器节点的具体工作流程如图7(a)所示。

路由器节点的路由寻找过程包括路由发现、反向路由路径的确立和最终正向路径的确立，路由发现流程如图7(b)所示。

路由器为数据的传输提供最佳路径，实现数据可靠、准确、高效的传输。

图7 路由器节点软件流程
4 系统测试
在10kV高压开关柜内布置6个传感器节点，3个路由器节点测试动静触头的温度值，协调器网关节点布置在仪表室。

为了验证系统的可靠性，稳定性，终端节点每隔8s发送数据至上位机监控中心，上位机进行丢包测试。

经测试，节点的丢包率平均范围0.4%，在50m距离范围内，丢包率小于5，如下表1所示。

表1 节点丢包率?
5 结束语
基于物联网技术的高压设备温度监测系统有效地融合了ZigBee网络和GPRS网络的优点。

系统中节点不仅采用低功耗的元器件，同时通过引入休眠机制，延长系统的待机时间。

与传统的监测技术相比，该监测系统易于实现，可靠性高，达到低功耗、低成本、操作方便的设计要求。

该技术也可广泛应用于现代智能家居、医疗监护环境监测和远程工业控制等领域中，具有较高的应用价值和市场前景。

参考文献：
[1]禇燕伟，杨波，刘衡.基于ZigBee技术的高压开关柜智能无线测温系统[J].电工电气，2013(6):23-28
[2]王长清，王昊.基于ZigBee的自供电高压母线无线温度监测系统设计[J].电测与仪表，2015,52(7):101-105
[3]王玲芝，李春茂，袁立行.基于ZigBee技术的高压设备温升监测系统[J].测控技术，2010,2(12):1-3
[4]葛广英，葛青，赵云龙.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京：清华大学出版社，2015:17-22
[5]邢晓敏，李波，陈静.电力高压触点温度无线监测系统的研发[J].电力系统保护与控制，2010,38(22):174-178
[6]姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程-基于CC2530的无线传感网技术[M].北京：清华大学出版社，2014:42-50
[7]麦军，邓巧茵，万智萍.基于CC2530的ZigBee无线组网温度监测系统的设计[J].电子设计工程，2015,23(22):117-121
[8]王鑫，潘贺，杨简.基于CC2530的ZigBee无线温湿度监测系统设计[J].中国农机学报，2014,35(3):217-220
[9]何藴良，耿淑琴，汪金辉.基于ZigBee无线传感的空气温湿度监测系统设计[J].现代电子技术，2015,38(18):131-135
[10]何智勇，毛燕琴.基于全局能量均衡的ZigBee网络路由算法优化[J].计算机应
用研究，2017,35(2):158-179。