基于ZigBee的煤矿高压开关柜无线监测系统设计

白 泽

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤矿高压开关柜在矿井中广泛应用，其作为重要的配电设备，承担着电力分配的重任，因此高压开关柜的运行情况关系着煤矿生产进程以及生产安全[1-2]。煤矿生产企业对电力供应的稳定性以及可靠性要求较高，目前在实际生产过程中，对煤矿高压开关柜的监测有所欠缺，开关柜的故障情况时有发生，甚至引起非计划停电，给企业造成了较大的人力、物力的浪费，严重损害了企业的经济效益[3-4]。

本文针对这一现状，设计了一套基于ZigBee 无线传输技术与微处理器技术的煤矿高压开关柜的监测与报警系统。系统可实现对开关柜关键电气设备的连续在线状态监测，并根据相关规范以及实际情况设定了预警值，对故障及时甄别与预警，有效保障煤矿生产安全和生产效率。

1 总体方案

煤矿高压开关柜包含的电气设备众多，包含熔断器、断路器、真空接触器、柜体等设备。目前针对高压开关柜的监测主要通过布置温度传感器进行测量，且一般采用有线传输，存在布线复杂、成本较高、灵活性差的缺点，已经不能满足生产需要。而ZigBee 技术作为一项新兴的短距离无线通信协议，适用于传输范围较短、数据传输速率低的场景，且具有低功耗、低成本、支持多种拓扑结构的特点[5-6]。ZigBee与其他无线通讯协议相比最大的优势是它结构相对简单，且能够实现快速组网，可靠性较高，广泛应用于工业监测领域。

本文基于ZigBee 无线通讯协议对煤矿高压开关柜的无线监测系统进行了设计，将系统分为三层结构，包括现场应用层、网络传输层以及监测处理层。现场应用层利用不同传感器对反应高压开关柜运行状态的参数进行检测；网络传输层利用无线传输网络以及无线收发设备进行数据的传输；监测处理层对来自通信网络的数据进行转换、处理、运算等给出判定结果，据此完成对设备状态的评估以及预警功能[7-8]。监测系统总体结构如图1所示。

图1 监测系统总体结构图

2 系统整体设计

监测系统由3 层结构组成。现场应用层即传感器布置层，传感器检测到设备信号，经过放大调理模块的预处理后,传输给与传感器相连的网络传输层；网络传输层无线收发模块通过无线传输将数据给无线接收基站（主站），由无线接收基站与微处理器连接，系统软件根据数据处理流程对数据进行转换、处理、运算，根据运算值分别判断运行状况正常与否，决定是否发出预警；微处理器可与上位机之间实现信息交互并可完成与工程技术人员的信息交互。

2.1 系统硬件选型

监测系统的硬件组成设备包括传感器、无线收发芯片、底板、天线、微处理器，电源、通讯接口等。无线收发模块作为现场应用层与网络传输层连接转换的重要设备，根据需要选择某公司生产的CC2430芯片，它包含1个高性能2.4 GHz DSSS射频收发器核心和1个8位的8051微处理器，实现了对处理器、模拟电路、存储器、RF的整合封装，拥有21可编程I/O引脚，具有开发成本较低、功耗较低、可靠性好的特点。微处理器选用STM32F系列32位ARM微控制器，意法半导体(ST)公司设计制造，集成了定时器、ADC、SPI、USB、UART等多种功能。

2.2 监测模块

监测模块传感器节点由传感器、无线收发芯片、天线以及电源模块等共同组成。传感器完成对监测测点位置的温度、振动值、电流信息的感知并将其转换为电信号，其中温度传感器布置点为高压开关柜的触头位置的附近，振动传感器安装在高压开关柜断路器的外部，绝缘监测则依靠电流传感器对泄露电流的检测完成。来自传感器的信号，经调理电路转化为标准数字信号到无线收发部分，通过无线收发芯片搭配天线完成对来自传感器信息的无线传输，并最终将信息汇总到监测主站的微处理器中，通过软件程序计算完成对信息的转换、处理，运算操作并根据运算结果给出指令，各监测节点与监控主站通过ZigBee 无线通信网络实现通讯。电源模块则负责提供稳定可靠电力供应。

监测模块的传感器节点作为ZigBee 网络的子节点，而监测主站作为网关节点，控制其他子节点并完成对数据的接收、转换、处理、运算等功能。各节点的CC2430模块在接收模式时通过天线接收RF 信号，再通过低噪声放大器变频为2 MHz的中频信号，之后经过滤波、放大、A/D转换成为数字信号。而在发射模式时，经过调制的基带信息，经由D/A 转换器再通过单边带调制器完成低通滤波变频为RF信号进行发送。监测模块传感器节点的结构如图2所示。

图2 监测模块传感器节点结构图

3 网络通信

图3 STM32F103与CC2430连接接口图

监测模块传感器信号通过调理电路完成格式的转换，传输给无线收发模块。CC2430 无线收发模块通过FIFOP、FIFO、CCA 以及SFD 这4 个引脚表示数据的收发状态。监测主站微处理器作为主设备和CC2430从设备通过SPI接口连接实现交换数据，通过SPI 接口访问CC2430 的寄存器和存储器，CC2430接收来自处理器的SCLK和CS信号。各监测分站与监测主站之间基于IEC802.15.4协议实现无线通信。监测主站通过RS485 串行接口实现与上位机的连接。STM32 与CC2430连接接口图如图3所示。

4 软件设计

系统软件设计利用LAR Embedded Workbench集成开发环境实现，该软件功能强大、操作简单具有丰富的源代码，简单易学、连接也较为方便，是目前较为方便且实用的嵌入式开发应用环境。它可与多种调试器、仿真器结合，能够同时完成微处理器以及ZigBee 终端的软件程序开发、调试、测试工作。将硬件设备与电脑连接，通过该工具结合C 语言知识完成程序编写，完成对工程创建设置、程序的编译、协议栈(Z-Stack)函数的调用与在线的仿真调试等一系列操作。监测系统软件工作主流程如图4所示。

图4 无线传感器网络工作流程图

5 结束语

本文设计了一套主要用于煤矿高压开关柜的监测系统，系统基于ZigBee无线通讯技术，能够实现对反应高压开关柜电气设备的状态参数的采集、处理与运算，完成监测与预警过程。系统基于无线监测避免了有线监测的不灵活和高耗费，监测效果好，自动化程度高，有效改善了高压开关柜故障率高、检修费时费力的问题，提高了煤矿高压开关柜配电的稳定性与可靠性。