基于ZigBee和GPRS网络的智能变电站设备温度无线监测系统

郭耀华

(唐山学院信息工程系，河北唐山　063008)

0　引言

随着供电负荷的迅速增加以及供电设备的老化，变电站的高压开关柜、母线接头、电缆接头、室外刀闸开关等重要的设备在长期运行过程中，容易因绝缘老化或接触电阻过大而发热，从而严重影响到用电安全，给供电、用电双方带来巨大的经济损失，因此对变电站设备进行温度实时监测是十分必要的[1]。文中采用物联网和无线通信技术，以温度信息采集、存储、通信、处理为研究对象，设计了基于ZigBee无线传感器网络和GPRS无线通信的远程无线温度监测系统，通过ZigBee网络和GPRS网络对接将信息传输到远程的监控中心，这套系统避免了有线传输系统的线路铺设，而且解决了ZigBee技术只能进行短距离传输的问题，使用GPRS技术实现了远程监测。

1　系统总体架构

整个系统由无线传感器网络，网络协调器，远程监控中心三部分组成，系统结构图如图1所示。无线传感器网络主要负责现场变电站设备温度数据的采集，网络由若干温度传感器和Zigbee终端节点一起组成星型结构，网络中的终端节点负责变电站现场设备温度数据的采集和传输；网络协调器主要负责底层无线传感器网络与远程监控中心之间的数据传输。网络协调器采用嵌入式技术和GPRS通信模块，接收和存储终端节点发送来的信息，通过服务器、GPRS网络将终端节点数据上传到远程终端，最终实现底层无线传感器网络与远程监控中心之间的数据传输。远程监控中心主要负责现场数据的管理，通过服务器软件处理和存储采集到的现场温度数据，同时对数据进行分析和汇总，采用分布式架构，有效的实现了智能变电站各个设备温度的远程监控。

2　系统硬件电路设计

2.1网络终端节点设计

终端节点负责采集智能变电站设备节点的温度，并将采集的信息存储在存储模块，以备服务器查询以往的状态设备，终端节点由ZigBee主控芯片和温度传感器组成，硬件框图如图2所示。

温度传感器选用DS18B20，它体积小、功耗低、精度高，是采用单总线传输的数字式传感器，可以提供9～12位的摄氏温度，工作温度范围为-55～125 ℃，在-10～85 ℃范围内精度为0．5 ℃．

图1　系统总体架构

图2　网络终端节点硬件框图

ZigBee主控芯片选用CC2430，CC2430是首款符合ZigBee标准的2．4 GHz系统单芯片SOC，是高度整合的系统级射频收发器，芯片上整合了ZigBee射频收发器、内存、8050微控制器、ADC、DMA．它具有128KB的可编程Flash和8KB的RAM，1个16位计时器，2个8位定时器和21个可编程I/O引脚，无需其他的处理器，使系统结构变得简单[4]。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合无线传感器网络的应用。网络终端中CC2430直接与DS18B20相连，接受数字温度传感器传输的数据。

终端节点电源的设计可以采用高压侧自具电源供电和电池供电两种方式，两种方式的选择由终端节点的安装位置决定，如果节点是高压开关柜触头上的测温点，这些节点的电源可采用高压侧自具电源供电的方式，通过电流互感器和整流滤波电路获得，由于触头上流过的是交变电流，通过电磁感应，就从一次电流回路取电提供节点的电源模块，电源模块通过整流滤波，提供3．3 V电压给终端节点和温度传感器供电，磁铁和线圈的结构和设计参数要根据触头形状和触壁外围不同而不同。如果节点是变压器外壳等测温点，则节点的供电方式可以通过电池来解决。CC2430工作时的电流损耗为27 mA，在接受和发射模式下，电流损耗分别小于27 mA或25 mA，在休眠模式是仅为0．9 μA，在待机模式时小于0．6 μA，由于CC2430从休眠模式和转换到主动模式的时间非常短，因此特别适合采用电池供电[1]。

2．2网络协调器设计

网络协调器主要负责ZigBee传感器网络和GPRS网络之间的数据传递，终端节点采集的变电站各个节点的温度数据上传至网络协调器中，通过网络协调器中嵌入式处理器的处理后，发送到GPRS网络中。网络协调器由3部分组成，分别为ZigBee协调器模块，嵌入式处理器和GPRS通信模块，硬件结构框图如图3所示。

图3　网络协调器硬件框图

ZigBee协调器模块仍然采用CC2430芯片。处理器是网络协调器的核心，需要大量的存储空间，而且要求较高的数据吞吐率和处理能力[2]，因此设计选用了ARM920T内核的32位嵌入式处理器S3C2410作为主控微处理器，采用电源供电。该芯片工作频率为220 MHz，具有低功耗、高性能，具有丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。

GPRS通用无线分组业务，是在现有GSM系统基础上发展出来的一种无线分组交换技术，它支持TCP/IP协议，可以与Internet网络直接互联，方便用户进行远程网络的接入[3]。设计中网络协调器中的GPRS传输模块选用GTM900B，它是一款两频段GSM/GPRS无线模块，它支持900 MHz/1 800 MHz双频自动选择，支持标准的 AT命令交互数据模式，提供丰富的语音和数据业务等功能，该模块主要由射频天线、内部Flash，SRAM、GSM基带处理器等组合[2]，处理主控制器发送的AT指令，实现信号的调制、解调和信号转换。

3　系统软件设计

整个软件由3部分组成：传感器网络终端节点数据采集模块、网络协调器数据接收和发送模块软件和远程监控管理模块。

3．1网络终端数据采集节点软件设计

终端数据采集节点由CC2430通过串行接口和DS18B20进行通信，实现现场节点数据的采集和传输。终端节点在工作前，需进行有效的初始化，在初始化过程中，网络协调器发出主动请求连接传感器节点的信令，在传感器节点成功接收和验证一个数据帧，返回确认帧后，各个终端节点加入网络，加入网络后节点处于休眠低功耗模式。CPU定时唤醒工作，每次唤醒后，CC2430进入正常工作状态，采集变电站各个节点数据，然后将温度值打包发送给协调器，CC2430发送成功后，继续转入休眠模式，等待下一次的定时唤醒[5]。终端节点工作流程如图4所示。

图4　网络终端节点软件流程图

3．2网络协调器软件设计

网络协调器负责网络的建立，信息的接受、处理，以及控制指令的发送和执行。在接受到来自各个节点的温度数据后，数据经嵌入式处理器处理后通过GPRS发送到远程控制中心。整个系统初始化后，GTM900B接受AT指令，与远程监控中心进行连接，通信链路接通以后就一直处于在线状态以随时等候远程监控中心的命令，当收到远程监控中心传来的采集指令后，嵌入式控制器控制ZigBee协调器模块完成与ZigBee网络中的采集终端的通信，最后将处理结果返回远程监控中心。网络协调器也定时控制终端节点采集各监测点的状态，一旦发现出现异常，则立即与远程监控中心通信，将监测点的异常数据发送至远程服务器，减少了远程监控端的值守时间。网络协调器软件流程图见图5所示。

网络终端和协调器软件设计均需要向ZigBee模块移植ZigBee协议栈，设计使用了MSSTATE协议栈MSSTATE协议栈主要分为4层，分别为物理层(PHL)、媒体访问层(MAC)、网络层(NWK)和应用层(APL)。与硬件底层密切相关的PHY层和MAC层，为上层通信的应用提供API接口函数。

图5　网络协调器软件流程图

3.3远程监控软件设计

上位机监控系统软件采用面向TCP/IP协议Socket通信机制的C/S机构，采用C++语言编写，主要功能是侦听Socket请求并建立网络连接，将接收到的数据存储到指定IP地址服务器的数据库中[2]。数据库使用Microsoft SQL数据库，实现对实时数据的存储和管理。

监控系统软件具有的功能如下：

(1)用户管理功能：能给不同的用户分配不同的管理权限，对整个监控系统进行管理。

(2)数据采集功能：能实时显示各个高压开关柜测量节点的实时温度数据和温度变换率。

(3)查询和报表输出功能：可查询和报表打印输出高压开关柜各个测量节点的历史数据，并通过一定算法进行统计。

(4)异常报警功能：实时显示现场数据的异常情况或报警，及时通知操作员对出现的报警信息进行确认和管理。

(5)系统自检和参数设定功能：实现系统的自检功能，并能进行远程温度上限值的设定和温度采集频率的设定和管理。

4　应用举例

该系统对工厂变电站中的高压开关柜的触头温度进行实时监测，每个高压柜安装9个无线温度传感器，分别对A相，B相和C相的上刀闸，下刀闸和断路器9个节点进行温度测量，另外增加了1个室内温湿度传感器。高压开关柜中1个监测点的数据如图6所示。

图6　单个节点温度值

经现场测试，各个监测点的传感器工作正常，能有效准确的发送实时数据，数据和现场测温比对误差为完全能满足设计要求。

5　结束语

文中探讨了ZigBee无线传感器网络在智能变电站设备温度监测系统中的应用，设计包括系统的总体架构网络和传感器网络，GPRS网络等模块的软硬件设计。整个设计的创新点在于应用ZigBee技术和GPRS网络实现了变电站各个节点温度数据的无线远程监测，并在硬件平台上完成了无线传感器网络的组建和数据传输。从检测结果来看，该网络具有可靠性高、抗干扰性强、功耗小、移动性强和成本低等特点，对设备安全运行无任何影响，成为变电站设备维护状态检修发展的方向，为实现智能变电站打下坚实的基础，另外也可广泛应用在温湿度检测等多种工业场合，具有非常广泛的应用前景。

参考文献：

[1]李小博，黄新波，陈绍英，等．基于ZigBee网络的智能变电站设备温度综合检测系统．高压电器，2011，47(8)：18-21．

[2]樊超，杨铁军，张德贤，等．基于ZigBee和GPRS相结合的粮食数量无限监控系统设计．河南工业大学学报(自然科学版)，2012，33(1)：69-73．

[3]孙利民，梁江涛，魏然．基于GPRS与ZigBee的远程分散多点监控系统．郑州大学学报(工学版)，2012，33(1)：24-27．

[4]罗凉臣，郑晓亮，胡业林．基于ZigBee和GPRS无线传输的矿井电机温度监控系统设计．煤矿机械，2012，33(5)：248-250．

[5]叶锦姣．基于ZigBee技术的矿井胶带机多点温度监测．煤矿安全，2012，43(5)：67-69．