基于zigbee技術(shù)的溫度數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸

基于zigbee技術(shù)的溫度數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸

隨著能源行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)能源系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。特別是隨著電網(wǎng)覆蓋面的擴(kuò)大以及電力設(shè)備數(shù)目種類的增加,電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越復(fù)雜。只有不斷提高電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平,才能使電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地供電。目前變電站的改造是電網(wǎng)升級(jí)改造的重點(diǎn),為此提出了變電站要少人或無(wú)人值守,提高效益?？墒亲冸娬镜陌踩\(yùn)行需要對(duì)大量設(shè)備的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行在線檢測(cè),對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)運(yùn)行環(huán)境和突發(fā)事件也要及時(shí)掌握。以前都是工作人員到現(xiàn)場(chǎng)巡查檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)(電壓、電流、頻率、設(shè)備溫升、振動(dòng)、噪聲等),這不但勞動(dòng)強(qiáng)度大,且實(shí)時(shí)性差。為了使電網(wǎng)能承受住特定的事故,且在嚴(yán)重事故下盡量縮小事故范圍,防止事故的擴(kuò)大,或者能迅速消除事故所造成的后果,使電網(wǎng)快速恢復(fù)正常供電,達(dá)到安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的,變電站必須具備智能在線檢測(cè)與定位功能,而終端監(jiān)測(cè)設(shè)備與自動(dòng)化系統(tǒng)主站之間能準(zhǔn)確、快速地交換數(shù)據(jù)、命令,縮短參數(shù)異常和事故發(fā)現(xiàn)的響應(yīng)時(shí)間,降低事故發(fā)生或擴(kuò)大的機(jī)率,減少值班人員巡查的次數(shù),降低值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。1z空間網(wǎng)絡(luò)ieee在配電線路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,由于電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、布線復(fù)雜等原因,建立一個(gè)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是配電線路安全監(jiān)測(cè)所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)之一,基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相繼問(wèn)世。其中Zigbee短距離無(wú)線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、設(shè)備成本低、組網(wǎng)簡(jiǎn)易靈活、電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),在工業(yè)控制領(lǐng)域中呈現(xiàn)出深厚的發(fā)展?jié)摿?。Zigbee技術(shù)在配電線路安全監(jiān)測(cè)中也有著廣泛的應(yīng)用前景。Zigbee具有低耗電、低成本、雙向傳輸、感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能等特點(diǎn),主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。IEEE將Zigbee接納為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)如下:(1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號(hào)干電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì);(2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議,降低了對(duì)通信控制器的要求,按預(yù)測(cè)分析,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)只需4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化,Zigbee通信模塊的價(jià)格預(yù)計(jì)能降到1.5～2.5美元;(3)低速率。Zigbee工作在20kb/s～250kb/s的較低速率,分別提供250kb/s(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求;(4)近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到1km～3km(相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離)。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn);(5)短時(shí)延。Zigbee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能;(6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以支持31個(gè)傳感器和受控設(shè)備,每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式,可以采集并傳輸數(shù)字量和模擬量;(7)高安全。Zigbee提供了三級(jí)安全模式:無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性;(8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)。2cc230的基本介紹目前,國(guó)外對(duì)于變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)主要采用有線與無(wú)線相結(jié)合的方法,其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好、能夠?qū)φ麄€(gè)檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè),但是需要大量的現(xiàn)場(chǎng)布線、設(shè)置電源等,對(duì)于某些現(xiàn)場(chǎng)條件不具備的場(chǎng)合(如不允許布線、供電不便等),其應(yīng)用范圍受到了極大的限制;對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線應(yīng)用,由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,需要在各種通信協(xié)議之間進(jìn)行大量轉(zhuǎn)換工作,限制了設(shè)備的有效應(yīng)用,且需大量的維護(hù)人員和成本。在國(guó)內(nèi),大多數(shù)變電站延用有線傳感監(jiān)測(cè)方式,少數(shù)變電站采用部分無(wú)線傳感技術(shù),但通信協(xié)議不統(tǒng)一,也沒(méi)有有效的集成,監(jiān)控參數(shù)少,測(cè)量范圍窄,甚至需工作人員將儀器帶到現(xiàn)場(chǎng)才能對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,增加了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。總之,目前變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)都離不開有線的束縛和工作人員定期的現(xiàn)場(chǎng)巡查、維護(hù),還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化,人為因素影響嚴(yán)重,不利于異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外變電站配電參數(shù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn),現(xiàn)提出一種將無(wú)線無(wú)源溫度傳感器裝置應(yīng)用于配電線路的方案。該裝置既無(wú)需外供電源,也無(wú)內(nèi)置電池,以太陽(yáng)能為能源,以雙電層超級(jí)電容器為儲(chǔ)能裝置,通過(guò)超低功耗無(wú)線微處理器結(jié)合微功耗傳感器實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)和信號(hào)無(wú)線傳輸。該裝置可在各種復(fù)雜電磁干擾、強(qiáng)電場(chǎng)、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。該裝置設(shè)有太陽(yáng)能發(fā)電裝置、電能存儲(chǔ)裝置、數(shù)據(jù)采集傳送裝置,如圖1所示。圖中器件的型號(hào)與參數(shù)分別為:太陽(yáng)能電池板-300mA3V;超級(jí)電容—30F2.5V的雙電層電容器;負(fù)載—帶溫度檢測(cè)傳感器TC77的無(wú)線單片機(jī)CC2430。該裝置工作原理如下:位于裝置頂部的太陽(yáng)能電池在光照作用下,將產(chǎn)生約3V的開路電壓和300mA的短路電流;太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能在對(duì)雙電層電容器充電的同時(shí),也對(duì)無(wú)線單片機(jī)CC2430供電;溫度傳感器通過(guò)SPI/UART與CC2430連接,在CC2430控制下進(jìn)行信號(hào)的采集,并將采集到的信號(hào)通過(guò)CC2430內(nèi)部集成的射頻收發(fā)電路通過(guò)2.4GHz/SIM頻段進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);CC2430一方面控制傳感器工作,另一方面可接受上位機(jī)的指令,設(shè)置自身或傳感器的工作狀態(tài),并可進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài);整個(gè)裝置在無(wú)光照、太陽(yáng)能電池不發(fā)電時(shí),轉(zhuǎn)由雙電層電容器供電。數(shù)據(jù)采集傳送裝置中各芯片引腳接線如圖2所示。該裝置在配電線路安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí),只需將其溫度傳感器置于需監(jiān)測(cè)的環(huán)境中,而將太陽(yáng)能電池板置于陽(yáng)光可直接照射處。例如需要監(jiān)測(cè)某導(dǎo)線溫升情況時(shí),只需把溫度傳感器緊挨導(dǎo)線。在CC2430內(nèi)寫入程序,可以通過(guò)軟件設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送的周期,或當(dāng)溫升超過(guò)某值時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)等。圖1中的設(shè)備型號(hào)及參數(shù)選擇基于以下幾個(gè)方面的原因:(1)選用CC2430可實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的無(wú)線傳輸,且其功耗低,它可通過(guò)軟件設(shè)置多種工作狀態(tài)(發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)、接受數(shù)據(jù)狀態(tài)、信息采集狀態(tài)、休眠狀態(tài)),且方便地實(shí)現(xiàn)與傳感器不同的連接方式,以及可與不同類型傳感器連接。(2)太陽(yáng)能電池板的使用使本裝置無(wú)需外供電源。(3)超級(jí)電容的使用使本裝置的維修量大大減少,與一般電池相比有以下優(yōu)點(diǎn):①幾乎可以永無(wú)止境地充放電(100000次),但是電池卻很難達(dá)到1000次充放電;②可提供很高的放電電流,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),電池的電流卻會(huì)因?yàn)槎啻蔚碾娏髅}沖而不斷減少;③可快速充電,但如果是電池快速充電,容易發(fā)生危險(xiǎn);④不需維護(hù),可在極端的惡裂的環(huán)境中(即便是-40℃的溫度中)使用。(4)300mA3V的太陽(yáng)能電池板對(duì)30F2.5V的超級(jí)電容充電速度快,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。該結(jié)果表明,在一般光照強(qiáng)度下(約15000LUX),電容起始電壓為0V,經(jīng)4～5min就可啟動(dòng)CC2430,20min就能將電容充到2.