应用于电力设备的智能无线温度预警系统

于本成 许小媛

摘 要：电力设备在长期运行中，由于连接部位温度过高等原因造成事故发生，文章完成的智能无限温度预警系统对电力设备温度的预警降低了事故损失，工作包括了节点的软、硬件设计、实现与测试。预警系统将信息采集模块、ZigBee无线通信模块及其外围电路、上位机监测软件等通过ZigBee技术组网，将终端节点采集到的信息通过ZigBee射频模块进行无线发送，同时，协调器通过USB与监控主机相连，利用蜂鸣器实现报警。

关键词：预警系统；ZigBee技术；信息采集；监测

中图分类号：TP 393.0 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

ZigBee是应用于短距离低功耗的无线通信技术，其基础是IEE802.15.4无线标准协议。比之其他近距离通信技术，ZigBee有着其他技术无法相比的优势，它可以方便的嵌入到各种设备中，主要适用于自动控制及远程控制领域[1]。

ZigBee技术的主要特点包括以下几个部分[2]：

（1）能耗低：ZigBee网络不传输数据时是处于休眠模式的，只有当工作时才会被唤醒。

（2）成本低：ZigBee通信模块价格在40RMB左右。

（3）低工作速率：20—250kbps。

（4）距离近：每个节点工作距离大概在10—100m，增加RF发射功率后，能增加到1—3km。

（5）时延短：休眠和工作状态转换只需15ms，入网约30ms。

（6）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持65535个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外65535台设备相连接。

（7）高安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。

（8）优良的网络拓扑能力：ZigBee具有星型、树型和网格网络的拓扑结构，并且ZigBee无线网路具有自组织和自愈的能力。

2 电力设备智能无线预警系统的硬件系统设计

（Hardware system design of intelligent wireless

warning system for electric power equipment）

2.1 ZigBee无线芯片

CC2530能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。它结合了RF收发器的优良性能，应用了业界标准的增强型8051MCU，具有开发难度低的SoC特性，CC2530同时适用工作频率2.4GHz的其他设备[3]。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/CC2530F64/CC2530F128/CC2530F256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有各种不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。CC2530芯片部分的参数如下：（1）可最大化通信范围的101dbm链路预算；（2）可最小化干扰源影响的业界一流的选择性；（3）灵活的低功耗模式；（4）功能强大的五通道DMA引擎；（5）可用于远程控制得IR生成电路；（6）可编程输出功率达+4dbm。CC2530开发板的硬件组成如图1所示。

2.2 ZigBee无线通信模块设计

终端节点、路由节点和协调器节点都是基于ZigBee的无线通信模块。这三类节点硬件结构相似，只有在功能上不同。其中终端节点通过杜邦线连接了温湿度传感器、烟雾传感器，传感器采集到的数据经过信号处理电路后接到CC2530引脚，CC2530通过射频天线发送给路由节点。无线通信模块的硬件结构如图2所示。

图2 无线通信模块的硬件结构框图

Fig.2 Hardware structure of wireless

communication module

2.3 温湿度传感器模块

温湿度传感器节点的作用是自动采集周围环境中的温湿度信息，并将信息传回协调器及上位机。本系统采用的温湿度传感器是一种数字温湿度传感器—DHT11。

DHT11温湿度传感器是一款拥有自己专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术的包含已校准数字信号输出的温湿度传感器，有着高可靠性和稳定性。传感器内部包括电感式感湿元件和NTC测温元件，能够准确的检测到环境中温湿度的数据，内部元件与高性能8位单片机相连，使其具备了响应快、抗干扰强、性价比高等优点。该传感器体积小、功耗低、传输距离远，可应用在多种场所[4]。

DHT11数字温湿度传感器连接方法简单，采用4引脚的结构。第一脚连接的是电源正极；第四脚连接的是电源地端；数据端连接在第二脚上，直接与CC2530的I/O口相连，第三脚为空脚。其实物图如图3所示。

2.4 烟雾传感器模块

本系统通过烟雾传感器检测环境中烟雾的浓度，以此判定是否发生火灾。烟雾传感器的主要作用就是检测环境中是否含有有害烟雾，如火灾发生时产生的浓烟。本系统选用的是MQ-2烟雾传感器。MQ-2烟雾传感器使用的是SnO2（二氧化锡）金属氧化物半导体材料，属于N型半导体材料。当周围环境中存在由燃烧物燃烧产生的有害气体时，内部的电导率随着烟雾浓度增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换成相应的输出信号[5]。

MQ-2烟雾传感器具有灵敏度高、响应速度快、寿命长、驱动电路简单等优点，可探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、CO、氢气、烟雾等有害气体。传感器采用旁热式气敏器件，内部有加热器，为气敏元件提供工作环境。封装好的气敏元件有六只针状管脚，其中两个引脚提供加热电流[6]，其余四个用于信号取出。其实物图及电路图如图4和图5所示。

3 系统运行测试与分析（Test and analysis of system

operation）

3.1 系统测试的目的

文中设计的系统主要采用的是ZigBee无线通信技术，无需布线。在指定位置安装带有温湿度传感器和烟雾传感器、蜂鸣器的终端节点，利用这些终端节点采集相应的温湿度、烟雾浓度等数据，并将采集到的数据通过ZigBee的射频模块进行无线发送到中央位置的路由器节点，由路由器将收到的信息发送到协调器节点，通过串口与监控主机相连，以此实现报警，从而监控整个电力系统。

本系统将各个具有不同功能的节点分散在不同位置，使其自组网成为一个无线传感网络。目的是获取周围环境的数据并进行传输。其中汇聚节点协调器，接受来自终端节点的信息并进行分析传输；而接有传感器的节点作为终端节点，

进行信息的采集以及数据的传输。节点采用写入ZigBee的相关协议栈的CC2530开发板。

3.2 系统测试与结果分析

系统测试的过程如下：（1）预警系统通过LabVIEW监测软件运行，串口为COM5，此时烟雾传感器没有亮，即为没有检测到有害气体，温湿度没有达到临界值，状态显示为不报警，蜂鸣器不响，报警灯不亮。（2）当系统检测到有害气体时，烟雾显示为“有”，但是温度、湿度没有达到所设定的30℃和70%RH时，报警器依然不工作。（3）此时，烟雾传感器MQ-2检测到有有害气体，并且温湿度传感器检测到温度达到30摄氏度，湿度也达到70%RH的临界值，报警灯工作，蜂鸣器发出响声。

结果分析：由以上运行过程可知，当温湿度与烟雾的条件同时为真时，报警灯工作，蜂鸣器鸣叫。以此提示管理人员对于系统发生的火灾采取急救措施，减少人员和财产的损失。两个条件的关系为“与”。当单一条件满足时，即两个条件结构有一个为假，一个为真时，系统不会报警。例温湿度达到临界值，但是烟雾传感器检测不到有害气体，系统是不工作的，蜂鸣器不会响。

4 结论（Conclusion）

文中设计并实现的温度预警系统改变了传统温度检测方式，利用了ZigBee技术实现了自组网，大大节省了人力物力，终端节点检测到温度与烟雾同时为真时再利用蜂鸣器的声音报警，提高了温度预警的实时性与可靠性。

参考文献（References）

[1] 刘旭辉.基于ZigBee技术的井下信息采集系统[D].哈尔滨理

工大学，2014.

[2] 李经祥.基于ARM和LINUX的智能家居系统设计[D].山东大

学，2011.

[3] 王颖，陈梁洁，丁孟飞.基于GPRS的智能家居环境监测控制系

统设计[J].电子制作，2013，24：32.

[4] 韩丹翱，王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].

电子设计工程，2013，13：83-85；88.

[5] 郑辉，王彩霞，马斌.基于红外技术的城市公交系统的实现[J].

华北水利水电学院学报，2012，01：43-45.

[6] 沈勇.基于Zigbee和Labview的高校宿舍火灾无线报警系统[J].

电子技术，2012，07：55-56；50.

作者简介：

于本成（1981-），男，硕士，副教授.研究领域：计算机网络

技术.

许小媛（1980-），女，硕士，副教授.研究领域：计算机软件

应用.