基于Zigbee的变电站内电缆沟温湿度监测系统设计

操文祥 吴晓春 檀美慧

摘 要：利用ZigBee及NB-IOT通信技术，对变电站内电力电缆进行温度、湿度采集，并实时上报到后台管理平台，通过移动终端或PC终端远程监控，确保电力电缆稳定可靠运行，避免火灾、短路等事故发生，具有一定的推广价值。

关键词：ZigBee；温湿度传感器；NB-IOT；电缆沟；

Abstract：By using ZigBee and NB-IOT communication technology， the system collects the temperature and humidity of the power cable in the substation， and reports back to the backstage management platform in real time， through the remote monitoring of the mobile terminal or PC terminal to ensure the stable and reliable operation of the power cable. The system could avoid the accidents of fire and short circuit， and it has certain popularization value.

Key words：ZigBee； Temperature and humidity sensor； NB-IOT； Cable trench

一、引言

电力系统是国民经济的基础和支柱，是维持工业、经济正常运行的持续稳定发展的根本保证，电力系统的安全稳定关系到国计民生。电力电缆是电力系统的重要组成部分之一，长期运行在高电压、大电流环境下，有可能出现绝缘老化、环境潮湿导致短路等问题，如不及时采取措施就可能造成事故。目前变电站内电力电缆大多铺设在电缆沟内，巡视时需要逐一掀开笨重不透明的水泥预制板，效率低下，巡视质量不高。通过本系统设计，在电缆沟内或电缆线上安装Zigbee监测设备，通过具有NB-IOT通信的智能控制网关，实时将数据上传到后台管理平台，管理员可以通过移动终端或PC端，本地或远程实时监测电缆运行状况，有效避免事故产生，减少损失，直接和间接的提升经济、社会效益。

二、系统整体框架

系统整体架构主要由智能控制网关和传感器节点组成，如图1所示。传感器节点主要采集电缆沟内的温湿度，并把数据传输到智能控制网关进行数据上传。智能控制网关是控制系统的核心硬件，通过它实现传感器节点信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制等功能。

三、系统硬件设计

1、传感器节点

传感器节点由传感器模块、Zigbee模块、灯光输出模块组成，节点硬件结构如图2所示。

数据采集模块采用瑞士Sensirion公司推出的SHT11传感器，它基于CMOSensTM 技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点，同时具有IIC总线接口，方便与通用处理器进行数据交互。

Zigbee模块是传感器节点的核心，选择美国TI公司生产的CC2530芯片。它是2.4GHz的片上系统，遵循IEEE802.15.4标准协议。CC2530内部有8051微控制器、内存、外设、时钟、电源管理及RF内核控制模拟无线模块。它通过IIC总线读取SHT11传感器的温湿度数据，并通过无线网络传输到网关。为了使系统工作时间持续长，节点采用间歇式工作方式，系统大部分时间处于休眠状态。

2、网关硬件设计

智能控制网关是本系统的核心设计，负责内部ZigBee网络和外部NB-IOT网络数据转换。网关的硬件电路主要由ARM Cortex-M3处理器控制器模块、ZigBee控制模块、NB-IOT网络模块通信、通用输入输出口及复位JTAG调试接口构成，智能网关硬件结构如图3所示。

网关的主控制器采用ST公司的STM32L151芯片。该处理器内部集成了FLASH及RAM，中断控制器，DMA控制器，时钟和电源管理，同时内部具有高速USB、IIC、LCD、串口等丰富接口资源，非常适合本系统的设计原理。

NB-IoT是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）的缩写，是一个新兴的技术。它构建于蜂窝网络，只需消耗约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。本系统采用上海移远公司生产的BC26 NB-IOT模块，它基于联发科MT2625芯片平台研发。支持全球频段，超小体积仅为17.7x15.8x2.0mm，低供电电压及丰富的外部接口和网络协议栈。

四、软件实现

1、軟件开发平台

系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提供系统性能的关键所在。基于通用性及便于开发的考虑，本系统软件设计使用IARSystems公司的IAR Embeded Workbench集成开发平台。它是一个完全集成的开发环境，包括C/C++编译器、工程管理器、编辑器、构建工具以及通用的C-SPY调试器。它在编译过程中对代码和速度进行高度优化。更高效率地采用了堆栈，静态和全局变量。可以把任何数据定义在EEPROM范围之内，并对大容量的FLASH进行随机读取。这套工具提供了相似且直观的用户界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具之一。

2、传感器节点程序设计

传感器节点主要实现两项功能：一是ZigBee网络与智能网关之间通信，二是进行温湿度数据采集。图4为传感器节点流程图。其工作流程为：节点上电后进行信道扫描，如果接收到信标帧，则证明当前区域内存在ZigBee网关协调器，便发送入网请求，入网成功后，传感器节点按间歇式工作进行温湿度数据采集，并将数据发送给网关协调器。

3、智能控制网关程序设计

智能控制网关实现外网和内部ZigBee网络的协议转换，确保网络间正常通信。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括地址信息与检测到的数据信息，以ZigBee帧的方式无线发送给网关节点。网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，并对数据是否异常进行判断，再以NB-IOT网络协议进行打包处理发送。图5为智能控制网关主程序流程图。

五、结论

本文提出的基于ZigBee的电缆沟温湿度采集系统，采用ARM硬件平台，将Zigbee与NB-IOT物联网技术相结合的方式，实现对电缆沟内的电力电缆进行温度、湿度的测量，并通过移动终端或PC端，实时监测电缆及沟内环境状况。通过实验证明运用这种解决方案，有很强的实用性，对智能电网的“信息化、数字化、自动化、互动化”发展和建设有重要的推广意义和巨大的经济潜力。

参考文献

[1] 顾志铭. 基于Zigbee的高压电力电缆温度监测系统的设计与实现[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[2] 张强. 基于ZigBee的电力电缆温度在线监测系统研究 [D]. 成都：电子科技大学，2012.

[3] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2007.

[4] 闫沫.ZigBee协议栈的分析与设计[D].厦门：厦门大学，2007.

[5] Z-Stack Developer 's Guide. http：//www.ti.com.