吳松，許丹楓

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北　宜昌　443002; 2.深圳供電局，廣東　深圳　518000)

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基于GPRS和ZigBee技術(shù)的電纜接頭溫度無線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳松1，許丹楓2

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002; 2.深圳供電局，廣東深圳518000)

電纜接頭溫度是影響電纜正常運(yùn)行的重要因素之一。本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種電纜接頭的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)系統(tǒng)組成。接頭溫度由安裝在接頭處的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上的DS18B20溫度傳感器采集得到，基于GPRS和ZigBee技術(shù)構(gòu)造遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)地下電纜接頭溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。最后，開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)用于溫度數(shù)據(jù)的處理。

電纜接頭；溫度；ZigBee；GPRS；智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

1　引言

接頭是電纜線路中的重要組成部分，接頭處的高溫是電纜故障的主要原因[1]。由于電纜主要鋪設(shè)與地下區(qū)域，有線監(jiān)測(cè)方式因?yàn)槠洳季€難、不易拓展等缺點(diǎn)不適合于對(duì)電纜接頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，無線監(jiān)測(cè)方式引起了廣泛的注意，并且在發(fā)電廠、礦山、變電站、醫(yī)院等場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。另外，在地下區(qū)域?qū)ΡO(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行供電也是一個(gè)難題，這個(gè)問題目前通過感應(yīng)取電裝置得到了初步解決。

本文構(gòu)建了一個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)來對(duì)接頭溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其由溫度傳感節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)中接頭溫度由安裝在接頭處的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上的DS18B20溫度傳感器采集得到。數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸借由基于ZIGBEE和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其中ZigBee是一種具有低成本、低速、低功耗的通訊標(biāo)準(zhǔn)。最終采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)中儲(chǔ)存和分析。

本文首先搭建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架，然后對(duì)系統(tǒng)中的各部分進(jìn)行了闡釋，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證；最后，對(duì)結(jié)論進(jìn)行總結(jié)并對(duì)未來的工作進(jìn)行了介紹。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由地下工作層、遠(yuǎn)程傳輸層和上位機(jī)中心組成，如圖1所示。

地下工作層由ZigBee溫度傳感節(jié)點(diǎn)與電纜井中的ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。收到采集命令后，溫度傳感節(jié)點(diǎn)利用溫度傳感器測(cè)量電纜接頭的表面溫度，溫度數(shù)據(jù)通借由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。必須注意的是，普通ZigBee設(shè)備的通訊距離是100～200m[6]。此系統(tǒng)中利用增益天線ZigBee設(shè)備的通訊距離擴(kuò)展到400～500m，所以數(shù)據(jù)可以以接力棒的方式傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)監(jiān)控中心向工作層發(fā)送采集指令后，匯聚在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程通訊層中傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的上位機(jī)中?？紤]到工作層與監(jiān)控中心的遙遠(yuǎn)距離，必須在遠(yuǎn)程通訊層中選用一種可靠程通訊技術(shù)，本系統(tǒng)使用GPRS網(wǎng)絡(luò)。在監(jiān)控中心，開發(fā)了一款上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)和預(yù)警的功能。

圖1　溝槽電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

3　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本節(jié)對(duì)系統(tǒng)各部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹，涉及相關(guān)的硬件模塊涉及與軟件流程。

3.1溫度傳感節(jié)點(diǎn)

(1)溫度傳感模塊

溫度數(shù)據(jù)的采集依靠安裝在節(jié)點(diǎn)上的溫度傳感器獲得。這些傳感器集成在電路板上然后通過傳輸線與微控制器的I/O接口相連。對(duì)傳統(tǒng)的模擬傳感器來說AD轉(zhuǎn)換電路是必不可少的，轉(zhuǎn)換電路較為復(fù)雜，在地下環(huán)境中使用有很高的損壞率。因此，使用數(shù)字型溫度傳感器來進(jìn)行溫度采集。

圖2　溫度傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

本文中使用DS18B20作為溫度傳感器，這是由美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)的一種數(shù)字型溫度傳感器，測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量誤差為1℃[7]。其具有體積小、高精度、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于DS18B20直接輸出數(shù)字信號(hào)而不是模擬信號(hào)所以不需要另外再安裝AD轉(zhuǎn)換模塊。

(2)微控制器及射頻模塊

微控制器及射頻模塊選用德州儀器生產(chǎn)的CC2530。此芯片是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能[8]。微控制器的程序流程如圖3所示。

溫度傳感節(jié)點(diǎn)的軟件流程如下所示。通電后系統(tǒng)初始化，節(jié)點(diǎn)搜索附近找到網(wǎng)絡(luò)并判斷是否加入。加入網(wǎng)絡(luò)后，微控制器控制傳感器采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并逐個(gè)發(fā)送。隨后溫度傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，微控制器控制停止溫度采集，整個(gè)裝置以很小的電流運(yùn)行。當(dāng)收到喚醒信號(hào)后，裝置重新進(jìn)入工作模式，繼續(xù)采集發(fā)送數(shù)據(jù)。

(3)電源模塊

在5V的電直流電壓下溫度傳感節(jié)點(diǎn)才可以正常工作，地下電纜敷設(shè)區(qū)域的惡劣環(huán)境使得必須對(duì)電源進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，正常的電源不能夠滿足要求。

圖3　溫度傳感節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

本文設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)取能裝置來對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電能供給，裝置通過電流互感器直接從電纜上進(jìn)行感應(yīng)取能，此電流互感器是利用電磁感應(yīng)原理根據(jù)已知的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。感應(yīng)出的電壓通過濾波器和DC-DC模塊處理后被轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓。感應(yīng)取能裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與溫度傳感器類似，不同的是其中加上了GPRS模塊和RS232接口。溫度傳感節(jié)點(diǎn)傳來的溫度數(shù)據(jù)借助GPRS模塊遠(yuǎn)程傳送給監(jiān)控中心。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。裝置通電后系統(tǒng)初始化，然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)并從溫度傳感節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳送給GPRS模塊。最后，GPRS模塊將接收到數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)特定的IP地址，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)。

3.3上位機(jī)

本文開發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)軟件，此軟件提供了良好的人機(jī)界面，并有數(shù)據(jù)展示、儲(chǔ)存、預(yù)警等功能。軟件流程如圖6所示。

圖6　上位機(jī)軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)與分析

試驗(yàn)在戶外環(huán)境中進(jìn)行，所采用的裝置如圖7所示。三個(gè)溫度傳感節(jié)點(diǎn)與一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分布在實(shí)驗(yàn)樓的樓頂，通電后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)借助GPRS與實(shí)驗(yàn)室中的PC機(jī)相連。PC機(jī)上的上位機(jī)軟件接收到了溫度數(shù)據(jù)并展示如圖8所示。

從結(jié)果可知這個(gè)近似的模擬系統(tǒng)可以完成溫度數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能。同時(shí)，3個(gè)點(diǎn)的采集溫度是19～21℃，并且與實(shí)地測(cè)試相比最大的誤差是2℃，這說明本系統(tǒng)是一個(gè)能夠初步應(yīng)用的系統(tǒng)。

圖7　試驗(yàn)設(shè)備

圖8　試驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)論與展望

本文介紹了一種對(duì)于電纜接頭的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于ZigBee和GPRS技術(shù)對(duì)接頭溫度實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段來說，其具有低成本、易拓展、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明此系統(tǒng)可以滿足精確性的要求。

由于目前試驗(yàn)條件不足，并沒有對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行更多開發(fā)。未來將對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)一步改善，包括監(jiān)測(cè)裝置的封裝都將被考慮進(jìn)來。此外，也會(huì)對(duì)本系統(tǒng)的大范圍監(jiān)測(cè)進(jìn)行測(cè)試。

[1]孫靖宇.地下電纜表面溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2008.

[2]吳飛龍.BOTDA光纖傳感器技術(shù)在電力電纜測(cè)溫中的應(yīng)用探討[J].光纖傳感技術(shù),2013(2):21-24.

[3]解軍.基于ISM與GSM鏈接的電力電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電源與儀表,2014,51(7):81-85.

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Design and Implementation of Intelligent Supervisory Control System for Cable Joint Based on ZigBee and GPRS

WUSong1,XUDan-feng2

(College of Electrical & New Energy,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

To realize real-time monitoring for the temperature of underground power cables,a wireless monitoring system is introduced.Remote supervision for surface temperature monitoring is implemented by the wireless system based on ZigBee and GPRS.Based on the temperature field analysis for power cable using Finite Element Method,the temperature measurements of the cable surface are explicated.And from which the conductor temperature of cable is reversibly calculated.The supervisory system is to control the wireless communication system and deal with the monitored data.A prototype system is established in the lab for the verification of the system,and the results show that the system meets the real time monitoring requirements.

cable connector;temperature;ZigBee;GPRS；intelligent mornitoring control system

1004-289X(2016)02-0031-04

TP277

B

2015-07-06

吳松(1980-)，男，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)；

許丹楓(1980-)，女，吉林省吉林市人，工程師，主要從事變電站設(shè)計(jì)。