基于ZigBee技术的电缆监测系统设计与实现

张柏毅　万年强　滕国欣

摘 要：针对目前电力电缆运行环境的传统监测方法，介绍了基于ZigBee技术的电缆监测系统的设计原理，设计了针对地下电缆的温湿度监测系统，并对传输距离和采集精度进行了试验，提高了电力电缆监测的自动化水平。

关键词：ZigBee技术；传感器；无线网络；温湿度

中图分类号：TM249+.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.093

文章编号：2095-6835（2015）15-0093-02

随着科学技术和计算机的发展，通信技术和电力产业的快速发展和广泛应用，我国很多单位和生产商逐步开始对不同类型的电力监测进行研究。运用无线传感器网络对地下电缆进行监测，相比传统的监测方式，可提高对电力电缆的监测效果，且降低了工作人员的劳动强度，保障了人身安全，同时，可提高电力企业电缆监测自动化程度，具有重要的意义。

1 ZigBee通信技术

与目前的无线通信技术比较，ZigBee通信技术的功耗、成本最低，是具有数据传输能力强、网络容量大、可靠性高、自动组网、复杂度低、灵活性高和成本低等多种优点的双向通信技术，可用于自动控制、远程控制等方面，还可方便地嵌入多种设备中实现自动化功能。将其应用在电力电缆监测中的优势为：可避免长距离传输的信号衰减、解决高压设备的电磁干扰问题，从而提高系统的可靠性和安全性，降低运维成本。

2 系统的整体设计思路

构建监测电力电缆的ZigBee传感器网络主要由三部分组成：接收端、上位机操作系统和发送端。由1个或多个ZigBee节点终端构成发送端，每一个ZigBee节点是由一组监测线路的相关传感器（温度传感器、烟感传感器、水位传感器和运行环境温湿度传感器等）和1个ZigBee无线射频模块构成。传感器将采集的相关电缆数据传输给ZigBee无线射频模块，再经由ZigBee无线射频模块中内嵌的电子芯片对传入的数据进行修正处理，并将处理后的数据通过ZigBee无线网络发送给接收端；接收端部分由1个ZigBee射频模块和1个RS232串口模块组成，接收模块即网络协调器，由它构建1个星形结构的通信网络，通过ZigBee通信网络接收各个节点的相关数据，并由RS232传输到上位机系统。这便是ZigBee通信系统一个发送节点的数据采集和发送的全部过程。

3 系统硬件设计

该系统硬件部分采用CC2530微处理器，该模块待机时的电流消耗仅为0.2 μA，在32 kHz晶体时钟状态下运行，可达到<1 μA的电流消耗，具有低功耗的优点，且CC2530可满足以ZigBee为基础的2.4 GHzISM波段，还可满足低成本、低功耗的需求。1个电子芯片上可嵌入包括ZigBee射频模块（RF）前端、CC2530微控制器和内存。为了使该硬件系统适用于各种环境工作，它集成了1个8051控制器和1个高性能的2.4 GHzDSSS（可实现直接序列扩频）的射频收发器核心，具有可编程闪存为128 kB和8 kB的RAM，还包含休眠模式定时器（32 kHz晶振）、ADC、上电复位电路、掉电监测电路、定时器、I/O引脚20个（可编程），可使ZigBee网路节点达到微型化的目的。

硬件系统的传感器部位将信号放大调理器、传感器、A/D转换和数字通信接口集成在一起。图1为CC2530的电路图。

3.1 发送端节点的硬件设计

发送端节点的传感器模块对电力电缆的相关数据进行采集。由于发送端节点集成了CC2530处理器模块，所以，可实现获取数据和对数据进行预处理的功能。通过处理器模块对采集的数据信号进行模拟信号和数字信号转换，再对数据进行处理，接收端接收到的是处理后的数据，天线模块对处理后的数据进行无线传输。电源模块主要给整个硬件系统供电。发送端节点可直接组成ZigBee网络的1个基本单元，该硬件系统的整体设计图如图2所示。

图1 CC2530应用电路图

图2 发送端整体设计图

3.2 接收端节点的硬件设计

在基于ZigBee的无线传感器网络中，不能仅设计1个单独的通信网络模式，需要1个主机显示屏中显示无线监测传感器所获取的数据。采用LCD模块能显示功能菜单，从而使电力技术人员通过操作按键与组建的ZigBee网络传感器建立有效的交互界面，并通过LED灯可查看网络的连接状态，如果组网成功，则LED灯会给予提示。

接收模式的CC2530微处理器模块中，混频器将传入经过低噪声放大器处理后的RF接收信号转换为中频信号。在处理中频信号时，先对信号进行放大和滤波后传入解调器中解调，数据被解调后传输到位移寄存器，之后由RFBUF存储。MCU将数据载入到UART的数据缓冲寄存器SBUF中，并将采集的数据由RS232模块串口传入上位机中。

4 系统软件设计

通过RS232串口将接收端连接至上位机。为了使电力技术人员能确定地下电缆的位置，接收端需要接受ZigBee网络中相关传感器的地址信息，存储地址表并用IAR7.51A软件完成开发系统的软件设计，并使用TI的Z-STACK协议栈。

5 电缆温湿度数据的采集试验分析

经过以上步骤，可成功建立ZigBee的无线传感器网络，硬件实物图如图3所示，图3中传感器为温湿度传感器。

本次以测试电力电缆沟内的温湿度环境为目的，同时，对通信质量进行测试。为了找出更加可靠、稳定的通信距离，将按不同的距离安置终端节点和协调器，以便于检测通信质量。经过试验发现，发送节点之间的距离在100 m之内都可确保测量的电缆沟具有良好的通信质量。在试验中，每小时进行1次数据采集。在采集节点不工作的情况下，系统会自动转成休眠状态。

图3 硬件实物图

在电力电缆采集到不同位置的温度和湿度值后，可将数据与实际的温度和湿度进行比对，并对比采集的数据误差，从而获得检测系统的数据精度，具体如表1所示。

表1 电缆温湿度监测值与实际值的比对

对比试验电缆监测温湿度结果与实际值后发现，温度误差值均控制在0.5 ℃以内，湿度值的实际值与测试值误差控制在0.5%的范围内。

在电力电缆的监测中，该误差值不会对系统监测造成影响，属于系统测量的控制范围内。在监测运行电力线路的温湿度数据时，应对通信质量进行试验，根据选取电缆沟内的不同位置检验该系统的测试精度，通过调整节点的安放位置，使之达到最佳的通信质量。

6 结束语

本文介绍了ZigBee通信技术的特点，经过硬件和软件系统的设计，证明该系统的适应性强，具有灵活的组网方式。通过采集电缆沟温湿度的试验说明，该无线传感器系统具有较好的实用性。在试验过程中，发现了电力线路监测所需要确定的终端节点设备的有效距离和监测精度。在今后的工作中，可将该ZigBee与GPRS技术相结合，选择适当位置放置网关设备，从而实现远距离的无线传输功能。将其用于电力电缆监测中，可根据电力企业输电线路的实际情况设定设备参数，可极大地降低人工巡检的劳动强度、保障人员的人身安全、节约大量的人力、财力、物力等直接经济成本，不会因线路故障停电而造成重大经济损失，在推进电力企业自动化发展的进程中起到了重要的作用。

参考文献

[1]宋建辉.无线传感器网络节点的设计与实现[D].长春：吉林大学，2011.

[2]凌志浩.ZigBee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报，2010，32（07）：801-805.

〔编辑：张思楠〕