ZigBee的高压开关柜无线测温系统设计研究

郑桂城

摘 要：主要对ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计展开了研究，对常见的测温方法作了比较，并对系统的总体方案设计、监控系统硬件设计、软件设计和抗干扰设计进行了系统分析，以期为有关方面的需要提供参考和借鉴。

关键词：高压开关柜；无线测温系统；ZigBee；光导纤维

中图分类号：TM591 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.066

所谓“高压开关柜”，是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中，起通断、控制或保护等作用的设备，并因其具有架空进出线、电缆进出线和母线联络等功能，被广泛应用于发电厂、变电站、石油化工、冶金轧钢、轻工纺织、厂矿企业和住宅小区、高层建筑等不同场所。因此，本文对ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计进行了研究。

1 常见测温方法比较

处于高压、封闭运行且内部空间狭小的高压开关柜对测温方法有特殊的要求。贴色片测温法是根据被测部位色片随温度的变化来判断温度的一种方法，这种方法需要专门人员定期测量，无法实时监控开关柜的温度变化，且属于定性测量温度，无法准确确定温度范围、度差；红外测温法是根据被测目标温度的变化与红外辐射之间的变化关系来测量温度的一种方法，这种方法需要专门人员定期测量，人工成本高、工作效率低，无法实时监测被测点的温度变化，但在测量过程中，设备与开关柜被测点之间是不接触的，因此，这种方法解决了高电压、强电流下的高压绝缘问题，同时，因具有非接触的特性，导致监测设备对高压开关柜的物理特性影响非常小；光纤测温法采用光导纤维传输温度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能隔离设备的高电压，具有较强的抗干扰性能，但设备复杂、价格昂贵、开关柜空间狭小；无线测温法将带有传感器的测温装置安装在高压开关柜的高压区，直接接触被测点，通过无线传感器将被测温度数据传输给数据集中器，现场的数据集中器可实时显示被测点的温度变化和报警，同时，数据集中器通过GPRS模块将温度数据远程传输给中央监控室，其体积较小的温度传感器模块很适合安装在空间狭小、密闭环境的开关柜内，无线监测方法是解决高压开关柜温度难以定量测量的解决方案之一。

本文基于Zig-Bee和GPRS无线组网技术，对高压开关柜无线温度监控系统的硬件、软件进行设计，以完成高压开关柜温度的实时、在线、动态监控。

2 监控系统的硬件设计

2.1 ZigBee温度采集器的硬件设计

ZigBee温度采集器负责采集高压开关柜的温度数据，并将采集到的数据传送给数据集中器。考虑到高压开关柜的内部空间、特性等因素，本文选择不用AD模数转换的数字式温度传感器，这样在电路板上可节省ADC部分电路。本文选用某公司的DS18B20数字式温度传感器，具有全数字温度转换、输出功能，且抗干扰能力强、功耗低、精度高。

控制器为1块CC2530芯片作为节点的处理中心，处理DS18B20传感器采集到的温度信号，并将测量数据通过无线传输方式传输给数据集中器。同时，负责接收集中器发射来的控制信号。CC2530芯片是某公司研制的一种片上系统，内置协议栈，支持ZigBee和IEEE802.15.4等多种标准。芯片上集成了2.4 GHz的标准射频收发器，具有极高的灵敏度和抗干扰能力，集成了增强型8051微控制器内核，具有256 KB系统可编程闪存。同时，还具有强大的外设：5通道DMA、8通道12位ADC、2个USART接口、21个通用I/O引脚等。CC2530芯片的核心板电路图如图1所示。

2.2 电源设计

考虑到高压开关柜具有的高压特点，设计电源时需要保证良好的绝缘性能和稳定性。目前，常用的电源主要有互感器取电法和蓄电池法。互感器取电方案利用穿心式电流互感器从高压侧母线感应能量，互感器取电后经过能量控制、整流、滤波和稳压等一系列措施后，最终为测温装置提供稳定电源，但是这种方案的成本高，且结构复杂，不适合在密闭、空间狭小的高压开关柜中使用。

ZigBee温度采集器具有能耗低的特点，1块蓄电池可使用2～3年，且价格便宜。因此，本系统采用蓄电池供电，采用通过TPS79533转换为3.3 V工作电压的供电方案。

2.3 数据集中器的硬件设计

数据集中器模块主要包括CC2530、控制单元、LCD显示屏、键盘、GPRS模块、报警和电源灯等部分。

数据集中器模块主要由3部分组成，CC2530部分主要完成接收ZigBee温度采集器传输回来的温度数据和相应的地址；控制单元主要完成温度数据的处理和实时报警，通过LCD模块实时显示采集到的温度数据，当温度超过设定值时，报警装置开始工作；控制单元通过RS232和GPRS模块完成通信任务，通过GPRS模块将所采集的温度数据传输给远程监控中心。本设计采用某公司生产的新一代GPRS双模模块MC35i，可快速、安全和可靠地实现数据传输，具有始终在线功能，理论传输速率达171.2 kb/s。

3 软件设计

系统软件设计主要包括ZigBee温度采集器软件设计，采集温度处理软件设计，报警、键盘和串口等接口软件设计以及上位机软件设计。本文仅对ZigBee温度采集器软件设计进行分析。软件设计为：系统复位、初始化高压开关柜内的温度传感器节点，温度传感器将采集到的数据输送到处理器进行相关处理，经过处理器处理的数据通过CC2530无线发送到数据集中器，发送完一次数据后，CC2530进入休眠状态，按照实际情况设定合适的休眠时间，当计时器没有达到设定值时继续休眠，否则，启动下一次温度数据采集。

4 抗干扰设计

在高电压、大电流的状态下运行的高压开关柜一旦出现事故，将出现强烈的磁场、电场和电磁干扰等现象，这些现象会对微电子系统级微弱信号的处理造成不利影响。本文采用以下3种方法解决该问题：①软件抗干扰设计。利用先进的编码、解码技术，将干扰信号剔除，留下有用信号。②硬件抗干扰设计。电磁干扰属于高频干扰，利用低通滤波器可以消除高频干扰，留下需要的低频信号，同时，采用金属屏蔽法屏蔽电磁高频干扰。③算法抗干扰设计。相对于软件速度而言，触头温度变化相对较缓慢，利用该特点对被监测点温度信号进行多次测量，可开发相关数学算法，从而剔除干扰信号。

5 结束语

本文在分析高压开关柜常用测温方法优、缺点的基础上，提出了一种基于ZigBee和GPRS无线组网技术的高压开关柜无线温度监控方法，并对系统的关键硬、件软件进行了分析设计。本方法不仅能确保高压隔离和创造适合空间狭小、密闭的高压开关柜，还实现了高压开关柜温度的实时、在线、定量监测，降低了工人的劳动强度，提高了监测精准度。

综上所述，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率和低成本的双向无线通讯技术，而本文主要研究了将其应用到高压开关柜无线测温系统中的设计，并结合了具体实例，旨在为类似的应用提供参考范例。

参考文献

[1]王福凯，兰西柱，董瑞琦，等.高压开关柜无线测温系统设计[J].工矿自动化，2012（07）.

[2]龙云，张晓清.基于ZigBee的高压开关柜触头温度监测系统设计[J].四川建筑，2013（01）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： Mainly design of the ZigBee high voltage switch cabinet wireless temperature measurement system was studied. On the common methods of measuring were compared， and the system's overall program design and monitoring system hardware design， software design and anti-interference design has carried on the system analysis， in order to close the need to provide reference and reference.

Key words： high voltage switchgear； wireless temperature measurement system； ZigBee； optical fiber