预装式变电站高压触头温度WSN传感器节点设计

2013-09-25杨鹏范晓勇杜佳玮胡泮

单片机与嵌入式系统应用 2013年12期

杨鹏，范晓勇，杜佳玮，胡泮

（扬州大学能源与动力工程学院，扬州225127）

引言

预装式变电站与传统土建变电站相比具有成套性强、体积小、占地少、能伸入负荷中心、提高供电质量、减少损耗、送电周期短、选址灵活、对环境适应性强、安装方便、运行安全可靠及投资少、见效快等一系列优点，因而应用日益广泛。但是，现有的箱式变电站在安全可靠性方而还存在一些问题。主要是由于箱式变电站一般运行在户外，户内电器设备容易受到外界环境的影响。预装式变电站安全运行通常均侧重于对电量参数（电压、电流、电功率）实时监测技术的研究，其非电量参数的在线测量，如触点温度，受到高电压、强电磁场干扰、测点位置的限制，至今仍未很好地解决该问题。

张巧芬等设计了针对基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统，采用MSP430F149＋nRF905作为核心模块，监测高压开关柜、母线接头、电缆接头等设备上的温度，但是节点抗干扰能力和延长网络生命周期有待进一步提高［1]。

王海伦等采用PSoC＋CC2430设计了电气设备温度监测的无线传感器网络节点，节点体积小、可靠性高，但由于通信距离短，限制了推广应用［2]。

李丽芬等设计了长链树状无线传感器网络的拓扑结构，实现绝缘子泄漏电流在线监测，但是由于系统工作在强电磁环境中，电磁兼容和网络安全有待进一步提高［3]。

针对这些不足，本装置采用无线传感器网络技术，将示温片和二氧化碳传感器分别设置于高压柜的触头和触头附近获取温度信息构成传感器节点，通过路由节点和协调器节点组成无线传感器网络，实现一款功能丰富、性能强大且成本低的变电站无线监控系统。

1 传感器节点的总体结构

高压柜触头温度传感器节点结构框图如图1所示。主要包括高压柜解点高分子示温片、二氧化碳传感器、信号调理电路、JN5139无线控制器、时钟电路和电源电路等。在高压柜内的触点上粘贴高分子示温片，对高分子示温片的材料成分作适当调整，改变其熔点温度，可以满足不同的超温监测要求，从而扩大温度的监测范围。

图1 高压柜触头温度传感器节点结构框图

当触点温度超温时，示温片受热释放CO2气体，并能够实现超温变色，使柜内CO2气体浓度在短时间内急剧上升，通过MS4100二氧化碳传感器检测CO2浓度的变化，MS4100传感器输出信号经过信号调理电路处理后，输入JN5139芯片的A／D转换器输入端。无线微控制器采用英国Jennic公司的高性能、低功耗JN5139无线控制芯片。可实现无线传感器网络的自动组网和收发功能，同时在传感器节点装置中采用时钟芯片对采样进行计时，时钟电路采用时钟芯片DS1302。

2 传感器节点硬件设计

传感器节点部署在高压柜内各个监测点上，由于电磁干扰严重，节点硬件尽可能考虑低功耗和抗干扰设计。硬件抗干扰主要是在传感器信号调理电路中根据干扰情况，增加陷波电路，采用抗干扰能力强的JN5139无线控制器，减小节点体积，以电池供电等方式降低干扰。传感器模块主要由微处理器、无线通信单元、数据采集单元和电源单元4个部分组成。

2.1 微处理器模块［4－5]

本设计采用JN5139无线控制器，JN5139是集成了uFl天线的高功率模块，可以在较短的时间内以较低的成本实现IEEE802.15.4协议或ZigBee兼容系统。JN5139提供了完整的RF和器件的解决方案及丰富的外围器件。JN5139特性：集成uFl天线插槽；兼容2.4GHz、IEEE802.15.4和ZigBee协议；2.7～3.6V操作电压；睡眠电流（包括睡眠定时器处于活动状态）为2.8μA；接收灵敏度为－100 dBm。其MCU特性：16MHz 32位RISC CPU；96KB RAM，192 KB ROM；4个输入端口，12位ADC，2个11位DAC，2个比较器，2个应用级定时器／计数器，2个串口（一个用于系统在线调试），一个SPI接口，支持5个片选。它能够组建健壮的、安全的、低功耗的无线网络应用。

2.2 信号获取和处理模块

高压柜触头温度传感器节点原理图如图2所示。将示温片粘贴在高压柜触头上，当触点温度超温时，示温片受热释放CO2气体，使柜内CO2气体浓度在短时间内急剧升高，通过测量CO2气体浓度实现温度检测。二氧化碳传感器采用MS4100，相应的调理电路由TLC271构成的跟随器、TLC271构成的放大器、TLC271构成的减法器及温度补偿电路等组成。

3 传感器节点软件设计［6－8]

传感器节点软件流程图如图3所示。高压柜触头温度传感器节点软件开发平台都使用Jennic公司提供的一整套开发工具。首先，用户程序在Jennic CodeBlocks集成开发环境中进行调试和编译。CodeBlocks是一个源码开放的C／C＋＋集成开发环境，Jennic对其进行了二次开发，嵌入了很多用于ZigBee网络开发的API函数，用户程序经过编译成二进制文件。其次，使用Jennic Flash Programmer软件将编译的二进制文件下载到JN5139的Flash中，用户程序就可以在JN5139上运行了。

节点上电时，首先进行初始化操作，包括ZigBee堆栈的初始化及硬件外设的初始化；接着进行信道查询，选择合适的网络等待加入；然后向该网络的协调节点发送加入请求；最后，在收到允许加入的确认之后加入网络，接收协调器发送过来的数据，并把读取的节点被测量数据及时发送到协调器。

图2 高压柜触头温度传感器节点原理图

图3 传感器节点程序流程图

系统采用非阻塞的设计方法，减少了CPU等待时间，大大提高了CPU的利用率，节省了时间。非阻塞程序设计流程如图4所示。定时中断程序主要完成数据的采集，中断到时首先查询传感器状态，根据查询结果，完成启动采样、信号转换和读取采样结果等操作，并在一个操作完成之后把传感器状态转换成下一个操作状态，依此循环采集数据。