ZigBee模块在高压电机测温系统中的应用

童 健

（浙江杭钢动力有限公司，浙江杭州 310022）

1 引言

高压电机的安全稳定运行，除在电气上进行正确合理的综合保护计算、整定外，对电机关键部位的发热检测也是一种重要的保护手段。

目前，国内对高压电机的测温主要还局限在采用热敏电阻型测温法对定子线圈温度、轴承温度进行监测。然而在实际运行过程中，高压电机引出线接头处过热也是一个常见的故障点，且温度一旦失控，很容易导致引出线绝缘老化，最终造成相间短路的事故故障。杭钢动力公司气体厂1.6 万空分配套的西门子电机（6 kV、15800 kW）就曾于2011 年1 月发生过类似的故障。该电机引出线因为设计制造时截面偏小，长期发热后引起绝缘老化，而引出线处又无温度检测装置，最终导致相间短路事故。

2 设计思想

目前在高压电机引出线处的温度监测应用报道还不多，如采用传统的热电阻（或热电偶）测温法，必须安装温度传感器，并敷设线路，不但改造起来不方便，而且传感器与高压电缆接头间必须有足够的绝缘，影响测量准确性和响应时间，同时高低压之间还面临绝缘击穿的安全风险。此外，由于引出线处的空间限制，也无法采用红外测温仪进行离线的监测控制。因此，设计一套测量准确、安装方便的无线测温系统用于该处作为温度的动态监控，对于确保高压电机安全运行有着重要意义。

随着ZigBee 协议的问世，ZigBee 模块得到了长足的发展和广泛的应用，目前TI 公司的CC2530、CC2531 芯片已经非常成熟，且具有低成本、低功耗的优点，使用环境温度达-40℃～125℃，完全能满足测温点的使用要求；数字温度传感技术的发展，使得温度的采样也显得非常的简单和智能，在型号上也有很大的选择范围；另外，与PC 机通讯的RS232、USB 接口等技术的丰富成熟，使得设计开发一套无线的测温系统成为可能。

3 系统构成

本文提出的设计方案的系统框图如图1。

图1 系统构成框图

整个系统由监控主节点及其若干无线温度传感器节点组成。

监控主节点：无线收发模块CC2531 通过FT232R 转换电路，和PC 机进行串口通信。它能够接收远程各监控点的传感器子节点发送来的信息，监控其运行状况，并在上位机进行显示。

无线温度传感器节点：主要由温湿度传感器SHT75、无线收发模块CC2530 组成，能够采集并发送数据到监控主站。传感器采用3.7V/3800mAh 的磷酸铁锂电池供电，各传感器节点以不同的地址跳线来区分。

4 ZigBee 无线模块的设计

ZigBee 无线模块分为主站模块和子站模块。子站模块即为集成了温湿度传感器的ZigBee 模块，一个子站模块可以根据需要连接多个温湿度探头。与PC 机相连的模块称为主站模块，主要任务有两个：负责组织无线网络，即自动搜寻网络中的子站节点，并给子站分配网络ID 号；从子站节点取得PC 主站需要的数据，实现无线网络与PC 机之间的通信。根据本系统的特点要求，选用TI 公司的CC2530 芯片组成子站模块，选用CC2531 芯片组成主站模块。

（1）主站模块

主节点是各传感器节点监控数据的汇聚者，也是与上位机进行信息交流的纽带，作为整个网络的协调器，为全功能设备（Full Function Device，FFD），负责ZigBee 网络的组建维护、传感器数据的汇集及与上位机的串口通信。主节点的硬件设计主要包括供电电路、晶振时钟电路、无线射频输入/输出匹配电路和串口通信电路。

（A）供电电路见图2

图2 供电电路图

主节点的供电电路与串口通信电路进行了集成，USB 接口既是数据通信接口，也起着为主节点供电的作用。USB 接口电源为5 V，而微处理器CC2531 需要3.3 V 的电源为其供电，因而我们采用了5 V 转3.3 V 的线性稳压单元AS-1117，该稳压单元提供3.3 V 稳定的电压输出，给CC2531 芯片供电。此稳压芯片是一个高线率的线性电压转换元件，其输出电流可达到1 A，并且外围电路简单，只需在输入端和输出端接入合适的电容即可。

B 晶振时钟及射频输入/输出匹配电路见图3

在解决了供电问题后，微处理器CC2531 的主要外围电路为晶振时钟电路及无线射频输入/输出匹配电路。CC2531 的晶振有两个：一个为32M 晶振，主要用于处理器正常运行过程及无线收发过程，设计中采用的是贴片的无源晶振，提供稳定的时钟源；另一个为32.768K 晶振，主要用于休眠模式下为内部睡眠定时器提供时钟源。

对于CC2531 的无线射频输入/输出匹配电路，最重要的是进行阻抗的匹配。在理想状态下，如果系统中信源没有内阻，所有的功率都将消耗在负载上，系统的发射功率始终是最大的。但是在实际过程中，系统中是不可能不存在内阻抗的，所以为了使得负载的功率最大，需要进行阻抗的匹配。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。本文中，结合CC2531 厂商TI 公司的推荐电路，经过实验调整，最终的无线射频输入/输出匹配电路如图3 所示。

C 串口通信电路

主节点的一个重要功能是对所有传感器节点上发的数据进行汇聚，并且与上位机进行通信，将接收到的传感器数据传送给上位机以便进行实时监控。本设计中与上位机的信息交换我们采用的是串口通信。微处理器CC2531 的UART 串口为TTL 电平，因而与PC 机相连时，需要一个驱动器来转换电平，否则过高的电压会把微处理器芯片烧坏。如图4 所示，在设计中采用的是FT232R 芯片，通过USB 接口与PC 进行串口通信。

（2）子站模块

图3 晶振时钟及射频输入/输出匹配电路

图4 串口通信电路

无线温度传感器子节点是无线网络的基本单元，主要负责温度的采集和预处理，并将之传输到主节点，可作为简化功能设备（Reduced Function Device，RFD），以降低功耗和成本。无线收发模块采用CC2530，其外围电路与主节点中CC2531 的外围电路大致相同，主要包括供电电路、晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路等部分，但不具有串口通信电路。SHT75 温湿度传感器的串行接口与微处理器（CC2530）的输入输出口（I/O）直接相连，这样可以减少硬件成本，同时也减小了无线传感器节点的体积。温湿度传感器SHT75 的串行接口与微处理器之间通过I2C 总线协议进行通信，但传感器不能按照I2C 协议进行编址。

5 上位机监控软件的实现

上位机监控软件使用C-sharp 语言开发完成。考虑到监控系统数据量比较小，不需要使用关系数据库，而是按照日期自动生成二进制文件作为数据存储文件，用于历史趋势图的调用。上位机主要实现以下功能：

（1）数据采集

数据采集可以实现主动采集和被动采集：上位机可以根据需要发送查询指令，主动采集ZigBee 网络中的温度湿度信号；也可实时的接收ZigBee 节点定期上报的数据。

温湿度的转换

公式T=-39.7+0.01×SOT(℃)

另，湿度的公式RHlinear=C1+C2×SOT+C3×（SORH）2，其中SORH表示采集的湿度原始数据，C1、C2、C3为常数。当实际测量温度与25 ℃相差较大时，还需进行温度修正。这里就不介绍了。

⑵数据存储

上位机可以实现保存历史数据的功能：上位机接收到ZigBee 采集的数据经过处理，保存到计算机硬盘中，用户就可以查看历史数据。

⑶数据分析

上位机将采集的数据转换为趋势图，方便用户对数据的分析。

⑷超限报警

当采集到数据之后，上位机会判断数据是否超限，如果数据超限，上位机开启报警声，提示用户存在报警，直到用户确认该报警，报警铃才会关闭。

以下是2012 年8 月份检测6 kV、15800 kW电机三相引出线处所得到的部分温度数值，供参考，见表1。

表1 2012 年8 月测得的部分温度值

6 从机模块低功耗的实现

由于传感器子节点采用的是电池供电，为了减小传感器模块的功耗，在系统的数据采样、发送环节做了充分的考虑，主要体现在以下两个方面。一是鉴于温度的变化是个缓慢的过程，可以适当降低采样频率，根据现场经验，设置为1 分钟采样1 次，两次采样间隙，进入低功耗模式，即休眠模式；二是设置数据发送条件，只有满足条件时才向外发送。

微处理器CC2530 具有一个24 位的定时器，运行在32 kHz 的时钟频率下。微处理器休眠状态的实现是通过配置睡眠定时器，设置系统进入和退出低功耗模式之间的周期。

本设计中，休眠模式的具体实现方式是在进入休眠模式之间加入一个休眠标志位，判断是否允许传感器子节点进入休眠，防止系统的频繁休眠和唤醒，同时也可避免在温度采集期间由于频繁的休眠和唤醒而影响传感器的工作。

在实际应用过程中，为了及时掌握监控点的实际温度，程序中对数据上传到主节点的时间间隔进行了限制，以防止温度变化缓慢时，发生数据不上传的现象。具体做法是，定义一个变量记录休眠次数，在每次进入休眠状态时对次变量进行累加，当休眠达到一定次数时，也将进行一次数据发送，并将休眠次数清零。同时，当监控点温度达到设定的阈值时，传感器子节点也会及时把温度数据向主节点上传。

7 结束语

本文就如何设计、组建一套无线测温系统进行了阐述。在实际应用中，必须对测温探头子站的外壳材料、安装固定方式等细节作充分考虑，以确保能经得起高压电机强电磁场干扰的考验。另外，可对PC 机获取的实时采样数据做进一步的应用处理，如设置完善的报警、历史趋势查询以及开发OPC 通讯接口等功能。