电力工程论文基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计
随着国民经济的发展，社会对供电可靠性提出了更高的要求电力设备的安全可靠性是大规模输配电和电网安全保障的重要环节。本文是一篇电力工程论文范文，主要论述了基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计。
【摘 要】ZigBee是部署无线传感器网络的一项新技术。本文根据高压开关柜的特点，提出了以zigbee无线传输技术为基础的开关柜无线测温系统的设计方案，主要完成了无线zigbee组网，单个开关柜的内部结构设计，基于DS18B20S数字温度传感器测温设计。
【关键词】zigbee技术,高压开关柜,zigbee自组网,DS18B20
0 引言
高压开关柜是现代电力传输系统中的重要设备之一，在发电厂、变电所有着广泛应用，而柜内导线连接处的接触特性直接影响到开关柜工作的可靠性。这些故障一方面来自开关柜本身的质量问题，更重要的原因在于目前缺乏有效地监测手段。基于以上问题，本项目拟开发一种基于zigbee开关设备温升在线监测系统[1]，将温度传感器安装到开关柜等输变电设备带电接头上，在线测量该点温度后，以无线方式将数据上传，集中显示，并实现超温报警，并与后台计算机连接，用户在远端监视设备温度运行状态，系统发现设备温度异常，自动远程报警。
1 zigbee技术简介
Zigbee是短距离、低功率、低复杂度、低成本的无线网络技术，其工作于868MHz、915MHz、2.4GHz这三个频段，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型设备的无线联网和控制而制定的。ZigBee主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
2 系统的主要内容
2.1 系统设计结构图
本文设计了是基于zigbee开关设备温升监测系统，整个系统包括若干传感器节点、协调器节点(传感系统、数据采集及传输系统)和上位监控中心等三个部分构成，如图1。
2.2 单个开关柜内部结构
单个开关柜内部结构及下位机基本工作原理示意图如图2所示。
开关柜内部有三组风机组，分别为主风机组1、主风机组2和备用风机组。下方的风机为扇风的风机，上方的风机为抽风的风机。单个开关柜内部安装了9个温度传感器，用来监测开关柜内部温度[2-3]。温度信号由传感器节点处理完成现场驱动风扇、LCD显示以及由协调器节点与上位监控中心完成监控的系统。
3 zigbee自组网方案设计
3.1 Zigbee网络拓扑结构
Zigbee网络只支持2种物理设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)，其中FFD设备可提供全部的MAC服务，可充当任何zigbee节点，不仅可以发送和接收数据，还具备路由功能，因此可以接收子节点;而RFD设备只提供部分的MAC服务，只能充当终端节点，不能充当协调器和路由节点，它只负责采集的数据信息发送给协调器和路由节点，并不具备路由功能，因此不能接收子节点，并且RFD之间的通信必须通过FFD才能完成。另外，RFD仅需要使用较小的储存空间，这样就可以非常容易的组建一个低成本和低功率的无线通信网络。Zigbee标准在此基础上定义了三种节点：Zigbee协调点、路由节点和终端节点。Zigbee协议标准中定义了三种网络拓扑形式[]，分别为星形拓扑，树形拓扑和网状拓扑。如图3。
图3
星形网络是三种拓扑结构中最简单的，因为星形网络没有用到zigbee协议栈，只要用802.15.4的层就可以实现。网络由一个协调器和一系列的FFD和RFD构成，节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，没有可选择的路径，假如发生链路中断时，那么发生链路中断的节点之间的数据通信业将中断，此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。
在树形网络中，FFD节点都可以包含自己的子节点，而RFD则不行，只能作为FFD的子节点，在树形拓扑结构中，每个节点都只能和他的父节点和子节点通信，也就是说，当从一个节点向另外一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点然后在向下传递到目标节点。这种拓扑方法的缺点就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由过程完成是有网络层处理，对于应用层是完全透明的。
网状网络除了允许父节点和子节点的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之间进行通信，它是树形网络基础上实现的，与树形网络不同的是，网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织。自愈功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息演示，增强了可靠性，缺点是需要更多的储存空间的开销。
3.2 自组网方案设计
上面讨论了基本网络拓扑结构，不论是从网络拓扑结构还是从路由方式来看，都可以认为星形网络和树形网络是网状网络的一个特殊子集，对网状网络的研究就包括对星形网络和树形网络的内容，所以本文对zigbee网状网络进行探讨。组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网[4]。网络初始化包括1.确定网络协调器，2进行信道扫描过程，3设置网络ID。完成之后就等待其他节点的加入。节点通过协调器加入网路包括1查找网络协调器，2发送关联请求命令，3等待协调器处理，4发送数据请求命令，5回复。[6]完成之后就待加入网络的节点应该已经收到协调器的加入请求回复。如果该请求通过，该节点将成功和协调器建立连接并获得网络地址和其他节点进行通信。
4 测温部分
DS18B20是美国Dallas公司推出的新型数字温度传感器，传感器及相关的数字转换电路被集成在一起，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰性强等优点，采用独特的单线接口方式。系统中测温探头选用了Dallas公司基于单总线结构的数字温度传感器DS18B20其测温范围为-55.0～125℃，测量精度为±0.5℃。由于每一个DS18B20有唯一的序列号，因此多个DS18B20可以存在于同一条总线上。DS18B20共有3个引脚：GND(接地)、DQ(数字输入输出)、VVD(可选)。信号经过数据线DQ送入DS18B20或者从DS18B20送出。从芯片到DS18B20仅需要连接引脚DQ和引脚GND，器件工作所需要的电源可以由数据线本身提供，此时VDD应连接到GND。VVD应该接到3.0～5.5v的电源上[7]。
DS18B20总线上的所有操作均从初始化开始。其在测温的过程中有严格的通信协议。每次对DS18B20的温度测量一般进行三个步骤：初始化、ROM操作、存储器操作。在初始化过程中，MCU首先向DS18B20发送一个复位脉冲，使数据下拉500μs，然后释放I/O线，DS18B20在监测到总线上升沿的16-60μs后，会向MCU发送一个60-240μs的应答脉冲，表示存在。MCU在接收到应答脉冲后会启动温度转换命令，等待转换结束后，发送RAM指令，读出温度值，并转换成十进制形式。
5 结论
本文以zigbee为基础的高压开关柜无线测温系统的方案。主要设计了单个高压开关柜的结构，以及zigbee的自组网。这种测温的方案不仅确保了在高压高磁场环境中稳定测温的性能，并且能保证在元器件遮挡等复杂柜内环境下的温度检测与传输。同时zigbee无线网络，将各个测温仪和监测站相连，不仅能够实现多点的测温和监控，并且易与现有的自动化系统进行兼容。实现电力设备的统一管理与监控，提高电力传输部门的自动化监控水平。
【参考文献】
[1]zigbee技术及其应用[J].低压电器，2005(7)：27-29.
[2]安庆敏，吴光明，陈波.基于zigbee的无线通信网络平台[J].低压电器，2006(6)：7-9.
[3]吴光荣，章剑雄.基于zigbee的高压开关柜无线温湿度监测系统[J].现代电子技术，2008(20)：169-171.
[4]于继明，卢先领，杨余旺，孙亚�b，杨静宇.无线传感器网络多路径路由协议研究进展[J].计算机应用研究，2007，24(6)：1-3.
[5]徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社，2006.
[6]于海斌，曾鹏，等.智能无线传感器网络系统[M].科学出版社，2006.
[7]DS18B20 Datasheet.
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