隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會對供電可靠性提出了更高的要求電力設(shè)備的安全可靠性是大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)。本文是一篇電力工程論文范文，主要論述了基于ZigBee的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　【摘 要】ZigBee是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)新技術(shù)。本文根據(jù)高壓開關(guān)柜的特點(diǎn)，提出了以zigbee無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，主要完成了無線zigbee組網(wǎng)，單個開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于DS18B20S數(shù)字溫度傳感器測溫設(shè)計(jì)。

　　【關(guān)鍵詞】zigbee技術(shù),高壓開關(guān)柜,zigbee自組網(wǎng),DS18B20

　　0 引言

　　高壓開關(guān)柜是現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，在發(fā)電廠、變電所有著廣泛應(yīng)用，而柜內(nèi)導(dǎo)線連接處的接觸特性直接影響到開關(guān)柜工作的可靠性。這些故障一方面來自開關(guān)柜本身的質(zhì)量問題，更重要的原因在于目前缺乏有效地監(jiān)測手段�；�于以上問題，本項(xiàng)目擬開發(fā)一種基于zigbee開關(guān)設(shè)備溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)[1]，將溫度傳感器安裝到開關(guān)柜等輸變電設(shè)備帶電接頭上，在線測量該點(diǎn)溫度后，以無線方式將數(shù)據(jù)上傳，集中顯示，并實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警，并與后臺計(jì)算機(jī)連接，用戶在遠(yuǎn)端監(jiān)視設(shè)備溫度運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備溫度異常，自動遠(yuǎn)程報(bào)警。

　　1 zigbee技術(shù)簡介

　　Zigbee是短距離、低功率、低復(fù)雜度、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其工作于868MHz、915MHz、2.4GHz這三個頻段，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

　　2 系統(tǒng)的主要內(nèi)容

　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　本文設(shè)計(jì)了是基于zigbee開關(guān)設(shè)備溫升監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括若干傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng))和上位監(jiān)控中心等三個部分構(gòu)成，如圖1。

　　2.2 單個開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　單個開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)及下位機(jī)基本工作原理示意圖如圖2所示。

　　開關(guān)柜內(nèi)部有三組風(fēng)機(jī)組，分別為主風(fēng)機(jī)組1、主風(fēng)機(jī)組2和備用風(fēng)機(jī)組。下方的風(fēng)機(jī)為扇風(fēng)的風(fēng)機(jī)，上方的風(fēng)機(jī)為抽風(fēng)的風(fēng)機(jī)。單個開關(guān)柜內(nèi)部安裝了9個溫度傳感器，用來監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部溫度[2-3]。溫度信號由傳感器節(jié)點(diǎn)處理完成現(xiàn)場驅(qū)動風(fēng)扇、LCD顯示以及由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位監(jiān)控中心完成監(jiān)控的系統(tǒng)。

　　3 zigbee自組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

　　3.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)只支持2種物理設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)，其中FFD設(shè)備可提供全部的MAC服務(wù)，可充當(dāng)任何zigbee節(jié)點(diǎn)，不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由功能，因此可以接收子節(jié)點(diǎn);而RFD設(shè)備只提供部分的MAC服務(wù)，只能充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)，不能充當(dāng)協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)，它只負(fù)責(zé)采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)，并不具備路由功能，因此不能接收子節(jié)點(diǎn)，并且RFD之間的通信必須通過FFD才能完成。另外，RFD僅需要使用較小的儲存空間，這樣就可以非常容易的組建一個低成本和低功率的無線通信網(wǎng)絡(luò)。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上定義了三種節(jié)點(diǎn)：Zigbee協(xié)調(diào)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问絒]，分別為星形拓?fù)�，樹形拓�(fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)�。如圖3。

　　圖3

　　星形網(wǎng)絡(luò)是三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡單的，因?yàn)樾切尉W(wǎng)絡(luò)沒有用到zigbee協(xié)議棧，只要用802.15.4的層就可以實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和一系列的FFD和RFD構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸都要通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑，沒有可選擇的路徑，假如發(fā)生鏈路中斷時，那么發(fā)生鏈路中斷的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信業(yè)將中斷，此外協(xié)調(diào)器很可能成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

　　在樹形網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)都可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)，而RFD則不行，只能作為FFD的子節(jié)點(diǎn)，在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)通信，也就是說，當(dāng)從一個節(jié)點(diǎn)向另外一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)然后在向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種拓?fù)浞椒ǖ娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由過程完成是有網(wǎng)絡(luò)層處理，對于應(yīng)用層是完全透明的。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)除了允許父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的通信，也允許通信范圍之內(nèi)具有路由能力的非父子關(guān)系的鄰居節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，它是樹形網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹形網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護(hù)，并且具有強(qiáng)大的自組織。自愈功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是減少了消息演示，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的儲存空間的開銷。

　　3.2 自組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

　　上面討論了基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不論是從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是從路由方式來看，都可以認(rèn)為星形網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一個特殊子集，對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的研究就包括對星形網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容，所以本文對zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探討。組建一個完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)[4]。網(wǎng)絡(luò)初始化包括1.確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，2進(jìn)行信道掃描過程，3設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID。完成之后就等待其他節(jié)點(diǎn)的加入。節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)路包括1查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，2發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令，3等待協(xié)調(diào)器處理，4發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，5回復(fù)。[6]完成之后就待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該已經(jīng)收到協(xié)調(diào)器的加入請求回復(fù)。如果該請求通過，該節(jié)點(diǎn)將成功和協(xié)調(diào)器建立連接并獲得網(wǎng)絡(luò)地址和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

　　4 測溫部分

　　DS18B20是美國Dallas公司推出的新型數(shù)字溫度傳感器，傳感器及相關(guān)的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路被集成在一起，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用獨(dú)特的單線接口方式。系統(tǒng)中測溫探頭選用了Dallas公司基于單總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20其測溫范圍為-55.0～125℃，測量精度為±0.5℃。由于每一個DS18B20有唯一的序列號，因此多個DS18B20可以存在于同一條總線上。DS18B20共有3個引腳：GND(接地)、DQ(數(shù)字輸入輸出)、VVD(可選)。信號經(jīng)過數(shù)據(jù)線DQ送入DS18B20或者從DS18B20送出。從芯片到DS18B20僅需要連接引腳DQ和引腳GND，器件工作所需要的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，此時VDD應(yīng)連接到GND。VVD應(yīng)該接到3.0～5.5v的電源上[7]。

　　DS18B20總線上的所有操作均從初始化開始。其在測溫的過程中有嚴(yán)格的通信協(xié)議。每次對DS18B20的溫度測量一般進(jìn)行三個步驟：初始化、ROM操作、存儲器操作。在初始化過程中，MCU首先向DS18B20發(fā)送一個復(fù)位脈沖，使數(shù)據(jù)下拉500μs，然后釋放I/O線，DS18B20在監(jiān)測到總線上升沿的16-60μs后，會向MCU發(fā)送一個60-240μs的應(yīng)答脈沖，表示存在。MCU在接收到應(yīng)答脈沖后會啟動溫度轉(zhuǎn)換命令，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，發(fā)送RAM指令，讀出溫度值，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制形式。

　　5 結(jié)論

　　本文以zigbee為基礎(chǔ)的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的方案。主要設(shè)計(jì)了單個高壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)，以及zigbee的自組網(wǎng)。這種測溫的方案不僅確保了在高壓高磁場環(huán)境中穩(wěn)定測溫的性能，并且能保證在元器件遮擋等復(fù)雜柜內(nèi)環(huán)境下的溫度檢測與傳輸。同時zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，將各個測溫儀和監(jiān)測站相連，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)的測溫和監(jiān)控，并且易與現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)進(jìn)行兼容。實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的統(tǒng)一管理與監(jiān)控，提高電力傳輸部門的自動化監(jiān)控水平。

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　　[6]于海斌，曾鵬，等.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].科學(xué)出版社，2006.

　　[7]DS18B20 Datasheet.
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