基于zigbee技术的电力无线传感温度监测系统的硬件设计与实现

张婷婷（山东青年政治学院信息工程学院，250014）



基于zigbee技术的电力无线传感温度监测系统的硬件设计与实现

张婷婷
（山东青年政治学院信息工程学院，250014）

摘要：阐述了基于zigbee协议的电力无线传感温度监测系统的硬件设计与实现，将ZigBee 技术与传感器技术结合，应用于电力温度数据采集监测系统中。将终端节点采集到的温度信息，以无线通信方式传送到网关，并通过串口将数据上传到 PC机，从而实现电力温度采集监测功能。

关键词：无线传感网络；zigbee协议；温度采集；CC2430

本文侧重阐述无线电力温度监测系统的硬件设计。节点采用模块化设计思想，主要包含数据采集模块、微处理器模块、电源模块和无线射频模块。系统通过连续监测高压开关柜内触点和电缆接头的运行温度，确定触点和接头处的过热程度，当温度超过预先设置的阀值时，发出警报指示。

1　系统架构

图1　系统结构图

本文的无线电力温度监测系统硬件设计采用了新兴的2.4G无线通信和WSN技术，将ZigBee 技术与传感器技术相结合，组建了ZigBee无线传感器网络。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪。无线传感网络的监测区域中有诸多传感器节点，每个传感器节点都能实现信息采集、数据处理和无线通信等功能，并通过无线通信方式组成网络。短距离无线通信网络技术主要包括以下几种：WiFi 技术、蓝牙技术、红外和ZigBee 技术等。Zigbee技术与其他相比，有低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本等诸多优点。

系统由无线温度传感器、无线测温仪、无线网关和计算机组配软件构成。通过连续监测高压开关柜内触点或电缆接头的运行温度，确定触点和接头处的过热程度，当发生超温时，系统能够发出警报指示。

开关柜无线测温在线监测系统在无中继器的情况下，可由多达 256个 GW6803型无线测温仪组成一个无线测温网络，每台 GW6803型无线测温仪集成了无线网关功能，它可接入256只GW6802型无线温度传感器。该温度采集监测网络不是以一个独立的通信网络形式存在，监测的温度数据需要发送到监测中心主机进行分析和显示，这就需要ZigBee无线网关，实现ZigBee 无线传感网络与以太网的互联，担当ZigBee 网络与以太网的协议转换。系统的中心监测计算机通过GW6803型无线网关在线接收所有无线温度显示仪所测量的温度。图3-1为开关柜无线测温在线监测系统结构图。

2　系统的硬件功能模块

2.1GW6802型无线温度传感器

2.1.1无线温度传感器的功能

温度传感器节点负责采集温度信息和数据的预处理，而后传输到ZigBee 的无线测温仪GW6803。拥有中继器的节点还具有路由的功能，转发子节点的温度数据。

无线温度传感器负责采集各监测点的温度数据，并实现向无线温度显示仪输送。无线温度采集节点采用低功耗设计，休眠一段时间然后将其唤醒，采集一次温湿度数据，并立即将采集到的温湿度数据通过无线的形式发送到测温仪，数据传送完毕之后节点进入休眠状态，等待下一个周期的唤醒采集数据。测温仪经过数据处理之后将节点发送过来的数据通过网卡芯片传送到互联网上，这样使得监控人员在监控室的电脑上就可以实时的监测到各个节点的数据信息。

2.1.2无线温度传感器的组成

无线温度传感器节点由下列部分组成:符合IEEE 802.15.4 标准的2.4 GHz 的射频（RF）收发器的CC2430无线单片机；数字式温、湿度传感器SHT10 。数字式温、湿度传感器SHT10 直接通过I2C总线与CC2430 单片机接口，用CC2430单片机I /O 口模拟I2C 总线，没有另外增加专门的I2C 总线控制器，减少硬件成本。

（1）cc2430

采用CC2430作为无线传感网络节点的核心。CC2430芯片是CHIPCON公司设计的世界上第一款符合ZigBee标准的2.4GHz射频单芯片系统。广泛应用于各种ZigBee标准的无线网络节点，包括相关的协调器、路由器和终端设备等。CC243O芯片有功能强大的集成开发环境IAR，它结合了chipcon公司全球写进的ZigBee协议栈设计，并包含丰富的工具包和参考工具，是全球领先的ZigBee技术解决方案。它的内部集成了增强型8051内核MCU、FLASH、和其他IEEE802.15.4协议中需要的所有硬件。

（2）SHT10

SHT10 是一款高度集成的温、湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出（该系统我们只实现温度监测功能，那湿度数据我们直接删除即可）。该传感器具有精度高（ 湿度RH 精度为±2.0%，温度T精度为±0.4℃）、低功耗、响应时间快、抗干扰能力强等特点。SHT10 数字式传感器具有CRC数据传输校验和I2C 总线数字接口，可以很方便的与其他微处理器、微控制器系统直接连接，增加了对传感器接口开发的可靠性和方便性。

为使传感器输出的数字量转换为直观的物理单位量，要进行数据变换处理。

SHT10 传感器温度输出具有极好的线性，可用如下公式将传感器的数字输出转换为实际温度值:

Temperature = d1 +d2 •SOT

Temperature——实际温度值，℃

SOT——传感器输出数字量

d1、d2为温湿度转换系数，d2为精度补偿。

（3）CC2591

CC2591 是一款高性能的低成本前端的2.4G功放芯片，可以配合CC2430/31使用，使传输距离由100米增加到1000米。该器件可为TI 所有当前及未来 2.4GHz RF 收发器、发送器以及片上系统产品提供无缝接口，可以改善 RF 性能。

CC2591 集成了低噪声放大器、功率放大器、平衡转换器（balun）、交换机、电感器和 RF 匹配网络等。这种集成度显著简化了高性能设计工作，使客户能用极少的外部组件开发出高输出功率的无线解决方案。

该方案中采用TI公司的cc2430配合cc2591的方案，使用cc2591可以增强cc2430的发射功率，让cc2430的发射功率达到21dbm，在空旷环境下实际测量该模块的的发射距离在500m以上。

2.2GW6803无线测温仪（无线网关）

测温仪与采集节点之间通过ZIGBEE协议进行通信，节点将采集到的温度数据通过无线方式发送到无线测温仪，再由测温仪将数据上传到互联网上同时将数据上传到本地计算机，由本地以及远程的监控人员监控现场的实时数据信息。

无线网关是通过USB供电的“数据转发站”，无线测温仪主要负责显示和转发无线温湿度传感器采集的数据，并通过USB线缆直接连接到监测中心的计算机上即可。同时，当温度数据超过设定标准（阀值）时，显示仪会通过声光方式报警。无线测温仪可以显示6个温度采集节点。根据用户的实际情况，选择安装在墙壁或机柜上。

该无线温度监测网络并不是以独立的通信网络形式存在，网络中监测的温度信息需要发送到监测中心主机进行分析和显示。GW6803无线测温仪（无线网关）实现ZigBee 无线监测网络与以太网的互联，并担当ZigBee 网络和以太网的协议转换。无线网关由下列部分组成:内部集成符合IEEE 802.15.4 标准的2. 4 GHz的射频（RF）收发器的CC2430 无线单片机；采用ARM 核的S3C2440 微控制器等。CC2430无线接收到的温度数据通过串口传送给ARM，ARM将数据处理之后传送到互联网上，以方便监控人员通过电脑对现场数据的适时监控。无线网关的接收采用CHIPCON公司的CC2430单片机， S3C2440微控制器采用ARM920T内核。

（1）网关部分的电源供电电路

网关的电源供给采用直流5V电源通过电压转换芯片LM1117-3.3，将5v的直流电压转化成3.3v电压。5v的电源主要是s3c2440芯片和网关板上的显示屏的供给电压，而3.3v则是cc2430和cc2591芯片的供给电压。

（2）充电电路

插上直流电的情况下，电池处于充电状态，断电后，由电池给设备供电。

图2　网关电池的充电电路

（3）升压电路

网关大部分时间是由220v交流转5v直流电源供电的，为防止有紧急掉电情况的发生，在网关板上陪上了一个3.3v的电池，以防止在直流电掉电的情况下，可以由电池短时间的给网关供电，以防止网关掉电之后的数据丢失现象。电池的3.3v电经过max1674芯片转为5v电。5v依然供给s3c2440芯片和显示屏。3.3v供给cc2430芯片和cc2591芯片。

（4）CP2102电路

网关上通过CP2102芯片转换，通过连接USB线的方式在电脑上产生一个串口，将ARM处理后的数据传给电脑，再通过电脑将数据显示出来，以方便监测。这样就以USB接口取代的DB-9的接口方式，给网关的设计上节省的很大的空间，使网关板显得更加的小巧，轻便。

（5）E2PROM电路及其他

AT24C04芯片是Atmel公司的I2C总线的E2PROM，通过ARM管脚模拟I2C总线方式去对24lc04进行读写操作。24lc04在网关中主要用来存放用户的一些配置信息。

图3　AT24LC04

网关上还配有一个SD卡，在网络环境差的情况下，或者网络断开的情况下，网关将会把所有接收到的数据存放的SD卡中，一旦测温仪网关监测到网络连接上的时候，就会将存储在SD卡中的数据上传到网络上，这样保证每个时刻的数据都不会丢失，并且监测人员可以方便的从电脑上查询到历史信息。

网关上还配有蜂鸣器电路，当温度数据超过设定值的时候蜂鸣器会发出鸣叫声，提醒在现场的人员有报警数据，要立刻进行处理。

3　总结

本文主要阐述了基于ZigBee无线自组网技术的无线电力温度监测系统硬件设计。首先明确了系统的总体架构，然后对各个硬件功能模块的设计分别进行了详细介绍。经过测试，系统可实现快速组网、数据通信等功能，且工作稳定，能及时、准确采集、监测各传感节点的温度值。

参考文献

［1］ 孔祥涛，林明星，周生良，杨文豪.基于ZigBee无线传感网络的扭矩监测系统的设计［J］.机床与液压，2014（11）.

［2］ 周瑞双，王春新，王焕娟，李朝峰. 基于传感技术与Zigbee的变电站设备温度在线监测系统［J］.电力科学与工程，2012（07）.

图4　SDCARD

Hardware-based zigbee power wireless sensor technology Temperature Monitoring System Design and Implementation

Zhang Tingting
（Department of Information Engineering，Shandong Youth University of Political Science，250014）

Abstract：The hardware power wireless sensor temperature monitoring system based on zigbee protocol design and implementation of the ZigBee technology with sensor technologies， used in power temperature data acquisition and monitoring system. The terminal node temperature collected information to a wireless communication system to the gateway，and uploading data through the serial port to the PC， enabling power temperature acquisition monitoring.

Keywords：Wireless sensor networks；zigbee protocol；Temperature acquisition；CC2430