基于Zigbee的变电站内电缆沟温湿度监测系统设计

操文祥 吴晓春 檀美慧

摘 要：利用ZigBee及NB-IOT通信技术，对变电站内电力电缆进行温度、湿度采集，并实时上报到后台管理平台，通过移动终端或PC终端远程监控，确保电力电缆稳定可靠运行，避免火灾、短路等事故发生，具有一定的推广价值。

关键词：ZigBee 温湿度传感器 NB-IOT 电缆沟

一、引言

电力系统是国民经济的基础和支柱，是维持工业、经济正常运行的持续稳定发展的根本保证，电力系统的安全稳定关系到国计民生。电力电缆是电力系统的重要组成部分之一，长期运行在高电压、大电流环境下，有可能出现绝缘老化、环境潮湿导致短路等问题，如不及时采取措施就可能造成事故。目前变电站内电力电缆大多铺设在电缆沟内，巡视时需要逐一掀开笨重不透明的水泥预制板，效率低下，巡视质量不高。通过本系统设计，在电缆沟内或电缆线上安装Zigbee监测设备，通过具有NB-IOT通信的智能控制网关，实时将数据上传到后台管理平台，管理员可以通过移动终端或PC端，本地或远程实时监测电缆运行状况，有效避免事故产生，减少损失，直接和间接的提升经济、社会效益。

二、系统整体框架

系统整体架构主要由智能控制网关和传感器节点组成，如图1所示。传感器节点主要采集电缆沟内的温湿度，并把数据传输到智能控制网关进行数据上传。智能控制网关是控制系统的核心硬件，通过它实现传感器节点信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制等功能。

三、系统硬件设计

1、传感器节点

传感器节点由传感器模块、Zigbee模块、灯光输出模块组成，节点硬件结构如图2所示。

数据采集模块采用瑞士Sensirion公司推出的SHT11传感器，它基于CMOSensTM 技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点，同时具有IIC总线接口，方便与通用处理器进行数据交互。

Zigbee模块是传感器节点的核心，选择美国TI公司生产的CC2530芯片。它是2.4GHz的片上系统，遵循IEEE802.15.4标准协议。CC2530内部有8051微控制器、内存、外设、时钟、电源管理及RF内核控制模拟无线模块。它通过IIC总线读取SHT11传感器的温湿度数据，并通过无线网络传输到网关。为了使系统工作时间持续长，节点采用间歇式工作方式，系统大部分时间处于休眠状态。

2、网关硬件设计

智能控制网关是本系统的核心设计，负责内部ZigBee网络和外部NB-IOT网络数据转换。网关的硬件电路主要由ARM Cortex-M3处理器控制器模块、ZigBee控制模块、NB-IOT网络模块通信、通用输入输出口及复位JTAG调试接口构成，智能网关硬件结构如图3所示。

网关的主控制器采用ST公司的STM32L151芯片。该处理器内部集成了FLASH及RAM，中断控制器，DMA控制器，时钟和电源管理，同时内部具有高速USB、IIC、LCD、串口等丰富接口资源，非常适合本系统的设计原理。

NB-IoT是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）的缩写，是一个新兴的技术。它构建于蜂窝网络，只需消耗约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。本系统采用上海移远公司生产的BC26 NB-IOT模块，它基于联发科MT2625芯片平台研发。支持全球频段，超小体积仅为17.7x15.8x2.0mm，低供电电压及丰富的外部接口和网络协议栈。

四、软件实现

1、软件开发平台

系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提供系统性能的关键所在。基于通用性及便于开发的考虑，本系统软件设计使用IARSystems公司的IAR Embeded Workbench集成开发平台。它是一个完全集成的开发环境，包括C/C++编译器、工程管理器、编辑器、构建工具以及通用的C-SPY调试器。它在编译过程中对代码和速度进行高度优化。更高效率地采用了堆栈，静态和全局变量。可以把任何数据定义在EEPROM范围之内，并对大容量的FLASH进行随机读取。这套工具提供了相似且直观的用户界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具之一。

2、传感器节点程序设计

传感器节点主要实现两项功能：一是ZigBee网络与智能网关之间通信，二是进行温湿度数据采集。图4为传感器节点流程图。其工作流程为：节点上电后进行信道扫描，如果接收到信标帧，则证明当前区域内存在ZigBee网关协调器，便发送入网请求，入网成功后，传感器节点按间歇式工作进行温湿度数据采集，并将数据发送给网关协调器。

3、智能控制网关程序设计

智能控制网关实现外网和内部ZigBee网络的协议转换，确保网络间正常通信。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括地址信息与检测到的数据信息，以ZigBee帧的方式无线发送给网关节点。网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，并对数据是否异常进行判断，再以NB-IOT网络协议进行打包处理发送。图5为智能控制网关主程序流程图。

五、结论

本文提出的基于ZigBee的电缆沟温湿度采集系统，采用ARM硬件平台，将Zigbee与NB-IOT物联网技术相结合的方式，实现对电缆沟内的电力电缆进行温度、湿度的测量，并通过移动终端或PC端，实时监测电缆及沟内环境状况。通过实验证明运用这种解决方案，有很强的实用性，对智能电网的“信息化、数字化、自动化、互动化”发展和建设有重要的推广意义和巨大的经济潜力。

参考文献：

[1] 顾志铭. 基于Zigbee的高压电力电缆温度监测系统的设计与实现[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[2] 張强. 基于ZigBee的电力电缆温度在线监测系统研究 [D]. 成都：电子科技大学，2012.

[3] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2007.

[4] 闫沫.ZigBee协议栈的分析与设计[D].厦门：厦门大学，2007.

[5] Z-Stack Developer 's Guide. http：//www.ti.com.