基于ZigBee的无线测温管理系统的应用研究

熊军华，王亭岭，刘湘莅

（①华北水利水电学院，河南 郑州 450011；②河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007）

0 引言

在电力系统中，高电压、大电流供电设备随处可见，这些设备在母线承载电流过大或开关接触电阻过大时，极易引起过高的温升，若得不到及时解决将使绝缘部件性能降低，甚至导致击穿，造成恶性事故。在变电设备的实际运行中，通过对比分析发现，运行方式的改变、负荷变化较大、高温天气时，相关电气设备大电流的回路连接点、闸刀触头比较容易产生发热等异常情况。因此实时测量高压母线接头和高压开关触点温度，可以及时采取有效措施，避免恶性事故的发生。

本设计方案提出了在无现场供电和不使用电池的情况下，利用半导体温差发电技术在高压、高温环境下为发热检测和控制电路提供电能，利用先进的 ZigBee无线通信技术实时进行数据采集与传输，理想地实现了高压测温一次设备和二次监测设备的电隔离，保证系统的安全可靠。通过Visual Basic 6.0设计的监控界面，实现了无线传感器网络温度信息的实时采集、及时报警和有效管理，做到设备发热实时监控及远距离遥测。

1 测温节点供电原理

基于ZigBee网络的测温节点由三部分组成：直流电产生模快、升压/稳压电路和 ZigBee节点测温电路，如下页图 1所示。直流电产生模块主要利用半导体温差发电模块产生直流电能。半导体温差发电模块的冷、热面一旦有了温度差，温差发电模块两端就产生电压差。如果给一片40×40 mm2、126对PN结的发电模块提供25 k℃的温差 ，就能产生约1 V的开路电压启动升压式DC/DC变换器为测温电路供电。由于温度差很难固定，半导体温差模块产生的压差不稳定，不满足无线单片机测温电路的要求。为此，首先须对电压进行升压、稳压处理，然后用稳定的电压给 ZigBee节点测温电路提供电能。

半导体温差发电模块主要利用其冷面和热面之间的温差来产生电能，因此如何获得热源以及如何降低冷面的温度是至关重要的[1]。在设计中，由电气设备的接线排直接作为热面的加热源，冷面加装散热片和一个风扇，驱动风扇的电能也是由半导体温差模块产生。其发电装置如图 2所示。电气设备的接线排在出现发热故障时，温度可上升到333～393 k℃。

图1 测温节点原理

图2 半导体温差发电装置

半导体温差发电存在的突出问题是输出电压不稳定，当温差较小时输出电压也很小。当温差发电模块冷、热面温差小于25 k℃时，开路输出电压小于1 V，要保证后续单片机电路正常工作，供电电压必须大于 2 V，往往采用升压式充电泵或升压式 DC／DC转换器。传统的充电泵的最低输入电压在0.9～1.0 V之间，升压式DC／DC转换器的最低输入电压为1.0 V左右(启动电压为0.6～0.7 V)。如果输入电压降到0.6 V以下，则传统的充电泵或DC／DC转换器内部的电路(如振荡器、误差放大器、逻辑控制电路、电子开关等)不能正常工作，无法实现升压的目的。本设计方案采用 TI公司新近推出的一款超低输入电压升压式 DC/DC转换器TPS61200。该芯片的主要特点是输入电压在0.5 V时，在满负载时也能启动工作，输入工作电压范围宽，从0.3～5.5 V，输入低电压锁存的电压可设定。很好的解决了无线单片机的供电问题。

2 测温节点电路分析

ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络。这种网络是中短距离、低速率无线传感器网络，具有射频传输成本低，功耗低，快速组网自动配置，自动恢复等优点[2]。本设计采用ZigBee星形网络拓扑结构，由一个网络协调器（FFD）和多个RFD节点组成。无线测温管理系统由测温传感器节点（RFD）、网络协调器及监控中心组成，如图3所示。

测温传感器节点（RFD）用于采集温度信息并发送给网络协调器（FFD）；网络协调器用于建立一个新的无线传感器网络，接收信息，发送控制命令；监控中心（上位机）通过RS-232串口实现与网络协调器的通信。

图1中，无线单片机采用TI公司的CC2431。CC2431片上系统（SoC）由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成。采用该引擎，可实现0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[3]。CC2431芯片采用0.18 μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2431一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2431特别适合那些要求低功耗的应用。

温度传感器为TC77，它是SPI串行接口的数字硅温度传感器，特别适合于低功耗、低成本、低尺寸应用。温度数据由内部温度敏感元件转换得到，随时都可以转换成 13位的二进制补码数字。与CPU之间的通信通过SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一个±12位的ADC，温度分辨率为0.062 ℃，TC77可以精确到±1 ℃，工作电流仅250 µA。

图3 无线测温管理系统的构成

3 测温节点及协调器软件设计

软件部分需要解决的问题包括：温度信息的采集；温度信息的发送；RFD与协调器的无线通信；协调器与上位机的有线通信等。由于温差发电模块供电的持续性受环境温度的影响很大，对温度的采集频率应随着温差的降低而变慢。温度采集的间隙应使TC77处于关断模式，在关断模式期间，TC77的电流消耗低于1 μA。RFD节点发送完温度信息后应立即进入睡眠状态，从而最大限度的降低功耗。针对网络协调器和RFD节点，程序所用的协议栈是一样的，所以都在一个工程中，主程序包含所有节点的初始化程序，利用条件编译分别下载到不同的节点中。

当一个RFD节点初始化完成之后，如果此时在其高频覆盖范围内有一个网络协调器处于正常工作状态，而RFD节点又与该网络协调器同频时，可以调用aplJoinNetwork（）函数加入当前的网络协调器。首先RFD节点上电后扫描网络中是否有网络协调器。如果此时网络协调器存在，就会自动应答RFD节点，当RFD节点收到网络协调器的3次应答信号后，RFD节点就向网络协调器发送自己的64位物理地址。之后网络协调器收到RFD节点发送上来的64位物理地址后，根据加入的先后给RFD节点分配16位的短网络地址。此时RFD节点加入网络成功[4]。

CC2431中含有两个串行通信接口USART0和USART1。利用USART0进行通信时需要对其串行通信的模式、传输的波特率及相关的通信协议进行定义。需要初始化的寄存器有：U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制与状态寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。与通信相关的子程序如下：

4 上位机监控界面设计

监控界面使用VB6.0可视化程序设计语言开发。利用VB6.0提供的MSComm串行通信控件，可以方便的实现计算机与CC2431之间的串行通信。监控中心通过RS-232实现与网络协调器（FFD）的串行通信。从而实现监控中心实时监测FFD和RFD的工作状态，并可以对FFD和RFD实施控制。监控中心与FFD设定的通信协议为：波特率为57 600 b/s，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。为了使用MSComm控件，需要在“部件”对话框的“控件”选项卡中选中“Microsoft Comm Control 6.0”选项，单击“确定”按钮后控件将被添加到Visual Basic的工具箱中[5]。

Visual Basic6.0是面向对象的可视化程序设计语言，采用事件驱动的编程机制，对各个对象需要响应的事件分别编写程序代码，对每个事件过程的程序代码来说，一般比较短小简单，调试维护也比较容易。本控制系统上位机监控程序需要响应的事件有：退出监控界面事件、控制设定事件、装载事件（初始化通信口）、定时器事件、信息接收事件等。与通信相关的程序代码及注释如下：

5 结语

随着发电厂和变电站自动化程度的不断提高，电气设备的热缺陷监控对安全生产显得尤为重要。本文所设计的温度检测装置，外围元件少，调试简单，工作可靠。采用半导体温差发电模块提供电能，解决了变电站测温现场供电不便的难题，同时也避免了电池供电需频繁更换的繁琐。良好的监控管理软件，易于上手，操作简便。

基于ZigBee的无线测温管理系统通过在郑州某110 kV变电站进行的测试，获得了良好的效果。测试用的硬件设备由6个RFD节点、1个FFD节点及一台笔记本电脑组成。

测试的相关数据如下：RFD与FFD的通信距离最远可达180 m（加长天线），FFD与PC通信距离可达10 m（制作的RS-232数据线为 10 m），无线传感器网络建立的时间小于1 s，RFD加入网络的时间小于0.5 s，PC机上的监控信息刷新时间小于 1 s，达到实时监控的要求。变电站的电磁干扰对无线传感器网络管理系统无影响。测试的结果表明，本文所设计开发的无线传感器网络管理系统是成功的，具有很好的应用价值。

[1] 林玉兰,吕迎阳.基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置[J].电源技术,2006(01):39-40.

[2] 王艳秋,曾维鲁,岳宇君.ZigBee技术在仓储管理中的应用[J].通信技术,2008,41(11):205-207.

[3] 张智勇，郭铁梁，李志军.基于CC2431的井下人员跟踪系统设计[J].通信技术,2009,42(09):111-113.

[4] 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:165-166.

[5] 求是科技.Visual Basic6.0程序设计与开发技术大全[M].北京:人民邮电出版社,2004:154-207.