基于ZigBee的高压开关柜无线温湿度监测系统

引言
     发电厂、变电站的高压开关柜内的母线接头和室外刀闸开关等重要设备，在长期运行过程中，因老化或接触电阻过大而发热。由于这些发热部位的温湿度没有得到及时有效的监测，往往导致火灾和大面积停电等事故的发生。实现母线接头和刀闸开关等关键部位的温湿度实时在线监测，防止开关过热，可以显著地减少此类事故的发生。在工程实践中，高压大电流设备内的接头部位都具有裸露高压，因此这些部位的温湿度很难监测，通常的温湿度测量方法因无法解决高压绝缘问题而不能使用。

　　目前，高压大电流设备内的母线接头部位温湿度监测的方法主要有红外测量、光纤测量和无线测量。光纤测量技术采用光导纤维传输温湿度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此能够准确测量高压触点的运行温湿度，实现高压开关柜内触点运行温湿度的实时在线监测。然而，用于隔离高压的光纤表面可能受到污染，导致光纤表面放电，以及安装布线烦琐，大大降低了光纤测量系统的可靠性和使用范围。红外测量为非接触式测量方法，没有高压绝缘问题。但它容易受环境及周围电磁场的干扰，测量精度低，自动化程度低，往往需要人工定期到高压大电流现场测试，效率低，风险大。另外，开关柜内的空间非常狭小，时常无法安装红外测量探头(因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面)。

　　无线温湿度监测系统采用无线电波进行信号传输，带有传感器的测试模块安装在高压设备表面，与接收设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题，测量精度高，并且安装方便，不受开关柜体结构的限制，是监测高压开关柜温湿度的理想解决方案。本文提出的高压开关柜温湿度监测系统就是基于 ZigBee这一新兴的无线网络技术。

　　2 高压开关柜无线温湿度监测系统的实现

　　ZigBee无线网络技术是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术，其数据传输速率在10～250 kb／s之间，两个网络节点之间的单跳距离为10～75 m，射频发射功率低，再加上处理器支持多种休眠模式。一节普通容量的锂电池能保证网络节点正常工作1～3年，成本低，网络节点容量大，具有自组网，自动路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免执照频段。它是实现高压开关柜无线温湿度监测系统的理想解决方案。

　　2.1 硬件设计

　　本文提出的高压开关柜无线温湿度监测系统的网络节点的硬件设计基于TI公司推出的符合ZigBee技术标准的CC2430芯片。射频部分的原理图设计在典型电路的基础上做了少量修改。考虑到系统工作在高压大电流环境，为避免引起尖端高压放电，网络节点采用印刷电路板天线或者陶瓷天线。ZigBee网络包括协调器、路由器和终端节点3种网络设备。终端节点带有温湿度传感器，是主要的感测节点，放置在高压开关柜内。开关柜内往往不允许布置额外的电缆，同时终端节点支持休眠模式，因此采用电池供电。协调器和路由器节点因为需要给其他网络节点提供路由传递数据报功能，因此采用市电供电，使协调器和路由器节点永远处于工作状态。

　　系统的温湿度检测采用瑞士SENSIRION公司推出的基于CMOSens技术的新型数字式温湿度传感器SHT71。它是一款将温湿度传感器、信号放大调整器、模／数转换器和总线接口全部集成在一个芯片上的单片全校准数字输出传感器，可以提供-40～120范围内分辨率为14 b的温度测量以及0～100％范围内分辨率为12 b的湿度测量。SHT71采用串行接口与微处理器相连，它的串行时钟输入线SCK和串行数据线DATA直接与微处理器CC2430的通用／输出口线相连，电路原理图如图1所示。串行时钟输入线SCK与微处理器保持通信同步，串行数据线DATA收发通信协议命令和数据。其控制流程如下：微处理器用1组“启动传输”时序表示数据传输的初始化，接着发送1组测量命令后，释放DATA数据线，等待SHT71下拉DATA数据线至低电平，表示测量结束，微处理器读出测量值后，可根据式(1)、式(2)计算出相对湿度和温度值：

　　式(1)是相对湿度的计算公式，是微处理器读到的湿度值，参数的值如表1所示。

　　式(2)是温度的计算公式，是微处理器读到的温度值，参数的值如表2所示。

　　2.2 软件设计

　　软件设计基于T1公司推出的ZigBee协议栈的最新版本Z-Stack 1.4.2。ZigBee网络设备根据功能的不同可以分为协调器、路由器和终端节点。终端节点申请加入网络，成为协调器或者路由器的子节点后，可以主动向网络中的任何节点发送数据报，也可以询问它的父节点是否有发送给它的数据报并接收。路由器包含终端节点的所有功能，此外还可以作为父节点允许其他节点加入网络，给网络中的其他节点路由转发数据报，对逻辑网络地址进行分配，维护邻居设备表等。协调器除了包含路由器的所有功能外，还包括创建一个新网络的功能。新建网络的流程如图2所示。

　　协调器通过NLME-NETWORK-FORMA-TION.request原语来启动一个新网络的建立过程。然后网络层请求MAC层对协议所规定的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量检测扫描，以检测可能的干扰。网络层收到成功的能量检测扫描结果后，以递增的方式对所测量的能量值进行排序，并舍弃那些能量值超出许可范围的信道。如果网络层找到了合适的信道，则为新建的网络选择一个PAN标识符，接着选择0x0000作为协调器的网络地址。当网络层选定网络地址后，通过向MAC层发送MLME-START.request原语完成ZigBee网络的创建过程。ZigBee网络支持星型网、簇状网和网状网3种网络结构，其中网状网的任意两个网络节点之间都可以进行通信，发送数据报的流程如图3所示。

　　2.3 低功耗设计

　　由于高压开关柜内是一种高电压、大电流的环境，而且一旦开始工作不能轻易停止，因此终端节点的低功耗特性，也就是一节普通锂电池能够维持终端节点正常工作的时间长短是决定整个方案成败的关键。TI公司的ZigBee解决方案从硬件和软件上保证ZigBee终端节点具有良好的低功耗特性。 ZigBee芯片CC2430是真正意义上的系统单芯片，在单一硅片上集成了处理器内核、射频收发器和各种外设，根据工作频率的不同以及外设是否处于工作状态，CC2430可以工作在PM0，PM1，PM2和PM3四种低功耗模式，流耗依次降低，工作在PM3模式下时，流耗最低可达0.6 A。Z-Stack协议栈也对低功耗做了很好的支持。ZigBee网络中的终端节点不具备路由功能，处于空闲状态时，它的射频部分可以关闭，微处理器可以工作在低功耗的休眠模式。网络中的其他节点发给终端节点的数据报，可以先存储在它的父节点，终端节点每次退出休眠模式后，主动询问它的父节点，是否有它的数据报。Z-Stack协议栈支持LITE sleep和DEEP sleep两种低功耗实现方式。其中，在LITE sleep模式下，终端节点能主动退出低功耗模式，完成诸如传感器数据的读取并发送的任务；在DEEP sleep模式下，终端节点必须由外部中断信号(如按键事件)唤醒。根据实际工程应用的需要，本文的高压开关柜无线温湿度监测系统中的终端节点采用 LITE sleep低功耗模式。

　　3 现场试用结果

　　本文设计的基于ZigBee无线网络技术的温湿度监测系统在变电所的电容式高压开关柜内进行了现场试用，安装情况如图4所示。每个开关柜内布置 8～10个ZigBee终端测试节点，用于测试开关触点和母线连接部位的温湿度，整个配电室内的所有测试节点通过路由节点组成一个ZigBee网络。终端测试节点大部分时间处在休眠状态，每隔5 min醒来1次，读取传感器温湿度值，并发往ZigBee网络中的协调器节点，协调器可以通过串口、以太网或GPRS等多种接口方式将测量数据发往后台管理数据库。系统在不更换终端节点电池的前提下，已经连续正常工作10个月，预计可以正常工作3年以上。

　　4 结 语

　　本文针对高压开关柜开关触点和母线连接等部位温湿度监测的迫切性及工程现场的特点，提出了一种基于ZigBee技术的无线温湿度监测系统，实现对开关柜内关键点位温湿度监测，有效地防止了重大事故的发生。系统实现成本低廉、安装方便、终端节点功耗低、工作稳定、具有很强的工程实用性和市场推广价值。