基于ZigBee和CAN总线的高压开关柜温度在线监测预警系统设计

陈凯彬 耿新 郭营生 张宁 陈森

摘 要：高压开关柜内设备长期运行使线路老化，电阻增大，从而使高压开关柜内温度升高，容易造成火灾发生，同时由于高压开关柜内设备布局较为密集，为了便于测量，本文提出了一种通过ZigBee和CAN总线进行信号传递的温度在线监测预警系统。开关柜内的温度传感器将采集到的温度信号首先通过无线网络ZigBee传送到分站，经过分站处理后的信号在通过CAN总线传送到上位机中，上位机对接收的温度信号进行处理，如果接收到的温度信号不在正常的设定值范围，就会发生预警。试验显示本文设计的系统信号采集灵敏，有较高的传输速度，能在长时间运行的同时保持系统稳定。

关键词：高压开关柜;ZigBee网络;监测

高压开关柜用于在电力系统发电、输配电、电能转换中起开关、控制以及保护作用。高压开关柜的组成主要包括断路器和柜体两个部分。高压开关柜按照柜体结构通常可以分为间隔式开关柜、敞开式开关柜以及金属封闭箱式开关柜等常用的几种类型。高压开关柜内空间有限，但是电气设备的种类和数量较多，内部布局较为紧凑，因此在通常情况下很难进行开关柜内的人工实时测温，对于开关柜内的温度不能实时掌握，同时由于人工手动进行开关柜内的测温，也带来了一定的安全问题。

目前高压开关柜内部的温度检测主要有红外成像技术、红外信号接触式测温技术以及光纤测温技术等几种较为常用的高压开关柜温度检测方式。陈新岗等人提出了一种基于声表面波和ZigBee的高压开关柜电缆室温度监测系统，该方法利用热传导以及固体力学理论等相关知识获得温度分布情况，利用声表面温度传感器采集温度信息，用ZigBee网络实现数据传输。刘罡设计了一种基于Modbus总线的高压开关柜多状态量在线检测系统。该设计实现了上位机和传感器的信息通信功能。这些技术都在一定程度上改善了目前的高压开关柜温度检测现状，但是还不够完善。由于高压开关内设备较多，因此单一的温度监测技术不能对高压开关柜内的所有设备的周边温度进行测量，为了能够实现多部件周边温度实时在线监测，同时为了降低开关柜内的线路布局困难，本文提出了一种基于ZigBee无线网络和CAN总线的温度监测预警系统。

ZigBee无线网络是一种适用于短距离的网络技术，具有功耗低、成本低、网络容量大和延时短，数据传输安全等显著优点。本文利用ZigBee技术来实现开关柜内检测到的温度信号的传递，由于采用无线传输技术，因此相关的温度传感器能够较大程度的根据温度监测需求来在不同位置实行安装，实现开关柜内温度的多点测量。

1 温度监测预警系统结构设计

本文设计的高压开关柜温度监测预警系统主要有传感器，无线温度监测仪和上位机组成。文中采用目前应用广泛的DS18B20传感器来进行高压开关柜内的温度采集，将采集到的温度信号传送到CC2480中，再通过CC2480将信号经ZigBee无线网络传输到温度监测仪，温度监测仪将接收到的信号通过CAN总线传输到上位机中，上位机对温度信号进行分析和处理，如果检测到的温度值高于设定的最大温度值，那么预警装置启动。相关工作人员在听到预警信号后对设备进行检查，从而及时的处理相关问题，避免带来生命财产损失。

2 系統硬件设计

2.1 传感器选型

温度传感器是主要实现将温度信号转换成可用于输出信号的传感器，温度传感器的种类繁多，按照测量方式的不同可以将温度传感器分为接触式和非接触式两种类型。本文在综合考虑了高压开关柜的内部结构，使用成本，传感器性能等多方面因素后选择使用DS18B20传感器来进行开关柜内温度的检测。DB18B20传感器具有体积较小，抗干扰能力较强，测量精度高等优点，采用独特的单线接口模式，测量范围能达到-55℃到+125℃，工作电源在3.0到5.5V/DC，适合在高压开关柜内进行温度检测。

2.2 信号采集模块

本文设计的温度监测系统的温度采集主要选择DS18B20温度传感器来实现。其温度采集模块主要包含温度传感器，供电电路和控制电路等。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括ZigBee无线传输网络设计和上位机、下位机的软件设计。

3.1 ZigBee网络设计

ZigBee网络是一个基于IEEE802.15.4标准的低功耗的物联网标准，它主要有三种网络模型，包括树型、网型和星型。其中网型结构较为复杂，而星型结构最为简单。ZigBee有三种设备类型，包括ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。ZigBee的协议栈有四层组成，包括应用层、网络层、安全层和MAC层。协调器是ZigBee网络的核心，负责相关网络的建设，是上位机和下位机之间进行通信的桥梁，协调器包括电源模块，仿真借口，CC2480模块以及串口通信模块等。

3.2 路由节点软件设计

路由节点上电后，系统首先进行初始化操作，初始化之后就会进行网络的搜索，在发现网络后就会发送入网请求，等到允许加入后就会完成入网工作，入网完成，对其他的节点的加入和数据传输申请进行相应的处理。

3.3 上位机软件设计

上位机主要用来向操作人员提供一个良好的可视化界面，目前主要的开发软件包括LabVIEW以及组态王等常用软件，本文选择使用功能强大，性能完备的组态王软件来实现上位机界面设计。上位机的软件设计主要包括监控主画面设计、参数设定、数据报表以及预警记录等。

4 结语

本文设计的基于ZigBee和CAN总线的高压开关柜温度监测预警系统能够很好的实现对高压开关柜内相关监测点的温度监测，若温度出现异常，预警系统启动，工作人员在收到预警信息后可以快速到达地点，对相关设备进行检查，消除异常情况。结果表明，该监测系统温度监测精度高，有较强的抗干扰能力。

参考文献：

[1]林涛.高压开关柜温湿度控制器的模块化设计与实现[J].自动化应用，2018（5）：96-98.

[2]刘罡.基于Modbus总线的高压开关柜多状态量在线检测系统[J].电力信息通信，2018，16（12）：68-72.