基于GPRS和ZigBee技术的电缆接头温度无线监测的系统设计与实现

吴松，许丹枫

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北　宜昌　443002; 2.深圳供电局，广东　深圳　518000)



基于GPRS和ZigBee技术的电缆接头温度无线监测的系统设计与实现

吴松1，许丹枫2

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002; 2.深圳供电局，广东深圳518000)

电缆接头温度是影响电缆正常运行的重要因素之一。本文设计与实现了一种电缆接头的智能监测系统，本系统由现场温度监测节点、远程通讯网络和上位机系统组成。接头温度由安装在接头处的现场温度监测节点上的DS18B20温度传感器采集得到，基于GPRS和ZigBee技术构造远程通讯网络来实现地下电缆接头温度数据的远程传输。最后，开发上位机系统用于温度数据的处理。

电缆接头；温度；ZigBee；GPRS；智能监测控制系统

1　引言

接头是电缆线路中的重要组成部分，接头处的高温是电缆故障的主要原因[1]。由于电缆主要铺设与地下区域，有线监测方式因为其布线难、不易拓展等缺点不适合于对电缆接头进行监测。因此，无线监测方式引起了广泛的注意，并且在发电厂、矿山、变电站、医院等场所得到了广泛应用[2-5]。另外，在地下区域对监测设备进行供电也是一个难题，这个问题目前通过感应取电装置得到了初步解决。

本文构建了一个智能监控系统来对接头温度进行监测，其由温度传感节点、远程通讯网络和上位机系统构成。系统中接头温度由安装在接头处的现场温度监测节点上的DS18B20温度传感器采集得到。数据的远程传输借由基于ZIGBEE和GPRS技术的远程通讯网络实现，其中ZigBee是一种具有低成本、低速、低功耗的通讯标准。最终采集到的数据传送到上位机系统中储存和分析。

本文首先搭建了监测系统的框架，然后对系统中的各部分进行了阐释，并通过现场测试对系统性能进行验证；最后，对结论进行总结并对未来的工作进行了介绍。

2　系统结构

系统由地下工作层、远程传输层和上位机中心组成，如图1所示。

地下工作层由ZigBee温度传感节点与电缆井中的ZigBee网关节点组成。收到采集命令后，温度传感节点利用温度传感器测量电缆接头的表面温度，温度数据通借由ZigBee网络传到网关节点。必须注意的是，普通ZigBee设备的通讯距离是100～200m[6]。此系统中利用增益天线ZigBee设备的通讯距离扩展到400～500m，所以数据可以以接力棒的方式传到网关节点。

当监控中心向工作层发送采集指令后，汇聚在网关节点的数据通过远程通讯层中传输到远处的上位机中。考虑到工作层与监控中心的遥远距离，必须在远程通讯层中选用一种可靠程通讯技术，本系统使用GPRS网络。在监控中心，开发了一款上位机，实现了数据采集，存储和预警的功能。

图1　沟槽电缆温度监测系统图

3　系统的实现

本节对系统各部分的实现进行了介绍，涉及相关的硬件模块涉及与软件流程。

3.1温度传感节点

(1)温度传感模块

温度数据的采集依靠安装在节点上的温度传感器获得。这些传感器集成在电路板上然后通过传输线与微控制器的I/O接口相连。对传统的模拟传感器来说AD转换电路是必不可少的，转换电路较为复杂，在地下环境中使用有很高的损坏率。因此，使用数字型温度传感器来进行温度采集。

图2　温度传感节点结构图

本文中使用DS18B20作为温度传感器，这是由美国达拉斯半导体公司开发的一种数字型温度传感器，测量范围为-55℃～+125℃，测量误差为1℃[7]。其具有体积小、高精度、易安装等优点。另外，由于DS18B20直接输出数字信号而不是模拟信号所以不需要另外再安装AD转换模块。

(2)微控制器及射频模块

微控制器及射频模块选用德州仪器生产的CC2530。此芯片是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能[8]。微控制器的程序流程如图3所示。

温度传感节点的软件流程如下所示。通电后系统初始化，节点搜索附近找到网络并判断是否加入。加入网络后，微控制器控制传感器采集数据并将数据存储并逐个发送。随后温度传感节点进入休眠模式，微控制器控制停止温度采集，整个装置以很小的电流运行。当收到唤醒信号后，装置重新进入工作模式，继续采集发送数据。

(3)电源模块

在5V的电直流电压下温度传感节点才可以正常工作，地下电缆敷设区域的恶劣环境使得必须对电源进行专门设计，正常的电源不能够满足要求。

图3　温度传感节点的软件流程图

本文设计了一种感应取能装置来对节点进行电能供给，装置通过电流互感器直接从电缆上进行感应取能，此电流互感器是利用电磁感应原理根据已知的材料参数和结构尺寸的基础上设计的。感应出的电压通过滤波器和DC-DC模块处理后被转化为5V的直流电压。感应取能装置的结构如图4所示。

3.2网关节点

网关节点的硬件结构与温度传感器类似，不同的是其中加上了GPRS模块和RS232接口。温度传感节点传来的温度数据借助GPRS模块远程传送给监控中心。

网关节点的软件流程如图5所示。装置通电后系统初始化，然后网关节点建立网络并从温度传感节点接收数据，这些数据被传送给GPRS模块。最后，GPRS模块将接收到数据传送给网络上一个特定的IP地址，其中网关节点一直处于工作状态。

3.3上位机

本文开发了相应的上位机软件，此软件提供了良好的人机界面，并有数据展示、储存、预警等功能。软件流程如图6所示。

图6　上位机软件流程图

4　实验与分析

试验在户外环境中进行，所采用的装置如图7所示。三个温度传感节点与一个网关节点分布在实验楼的楼顶，通电后网关节点借助GPRS与实验室中的PC机相连。PC机上的上位机软件接收到了温度数据并展示如图8所示。

从结果可知这个近似的模拟系统可以完成温度数据的接收和发送功能。同时，3个点的采集温度是19～21℃，并且与实地测试相比最大的误差是2℃，这说明本系统是一个能够初步应用的系统。

图7　试验设备

图8　试验结果

5　结论与展望

本文介绍了一种对于电缆接头的监控系统。系统基于ZigBee和GPRS技术对接头温度实现无线监测，相对于传统监测手段来说，其具有低成本、易拓展、易安装等优点。试验结果标明此系统可以满足精确性的要求。

由于目前试验条件不足，并没有对本系统进行更多开发。未来将对本系统进一步改善，包括监测装置的封装都将被考虑进来。此外，也会对本系统的大范围监测进行测试。

[1]孙靖宇.地下电缆表面温度监测系统的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2008.

[2]吴飞龙.BOTDA光纤传感器技术在电力电缆测温中的应用探讨[J].光纤传感技术,2013(2):21-24.

[3]解军.基于ISM与GSM链接的电力电缆接头温度监测系统[J].电源与仪表,2014,51(7):81-85.

[4]杜长军.城区电力电缆接头故障在线监测与预警系统[D].吉林：东北电力大学，2009.

[5]S.Nakamura,S.Morooka,K.Kawasaki.Conductor Temperature Monitoring System in Underground Power Transmission XLPE Cable Joints[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(4):1688-1696.

[6]Arthur Hartog.Distributed fiber-optic temperature sensors——technology and applications in the power industry[J].Power Engineering Journal,1995,9(3):114-120.

[7]Ching-Yen Chuang,Aleksey Shepelev,Charlie Qiu,Chi-Cheng Chu,Rajit Gadh.Design of RFID Mesh Network for Electric Vehicle Smart Charging Infrastructure[C].Proceeding of IEEE International Conference on RFID Technologies and Applications,Johor Bahru,Malaysia,2013.

[8]邓世杰，王国军，王涛.采用现代工控技术实现变电站辅助系统自动控制系统[J].宁夏电力，2007(4)：48-50.

Design and Implementation of Intelligent Supervisory Control System for Cable Joint Based on ZigBee and GPRS

WUSong1,XUDan-feng2

(College of Electrical & New Energy,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

To realize real-time monitoring for the temperature of underground power cables,a wireless monitoring system is introduced.Remote supervision for surface temperature monitoring is implemented by the wireless system based on ZigBee and GPRS.Based on the temperature field analysis for power cable using Finite Element Method,the temperature measurements of the cable surface are explicated.And from which the conductor temperature of cable is reversibly calculated.The supervisory system is to control the wireless communication system and deal with the monitored data.A prototype system is established in the lab for the verification of the system,and the results show that the system meets the real time monitoring requirements.

cable connector;temperature;ZigBee;GPRS；intelligent mornitoring control system

1004-289X(2016)02-0031-04

TP277

B

2015-07-06

吴松(1980-)，男，硕士研究生，主要从事电气设备在线监测；

许丹枫(1980-)，女，吉林省吉林市人，工程师，主要从事变电站设计。