操文祥 吳曉春 檀美慧

摘 要：利用ZigBee及NB-IOT通信技術(shù)，對變電站內(nèi)電力電纜進行溫度、濕度采集，并實時上報到后臺管理平臺，通過移動終端或PC終端遠程監(jiān)控，確保電力電纜穩(wěn)定可靠運行，避免火災(zāi)、短路等事故發(fā)生，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 溫濕度傳感器 NB-IOT 電纜溝

一、引言

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)和支柱，是維持工業(yè)、經(jīng)濟正常運行的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的根本保證，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定關(guān)系到國計民生。電力電纜是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，長期運行在高電壓、大電流環(huán)境下，有可能出現(xiàn)絕緣老化、環(huán)境潮濕導(dǎo)致短路等問題，如不及時采取措施就可能造成事故。目前變電站內(nèi)電力電纜大多鋪設(shè)在電纜溝內(nèi)，巡視時需要逐一掀開笨重不透明的水泥預(yù)制板，效率低下，巡視質(zhì)量不高。通過本系統(tǒng)設(shè)計，在電纜溝內(nèi)或電纜線上安裝Zigbee監(jiān)測設(shè)備，通過具有NB-IOT通信的智能控制網(wǎng)關(guān)，實時將數(shù)據(jù)上傳到后臺管理平臺，管理員可以通過移動終端或PC端，本地或遠程實時監(jiān)測電纜運行狀況，有效避免事故產(chǎn)生，減少損失，直接和間接的提升經(jīng)濟、社會效益。

二、系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要由智能控制網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點主要采集電纜溝內(nèi)的溫濕度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂凭W(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)上傳。智能控制網(wǎng)關(guān)是控制系統(tǒng)的核心硬件，通過它實現(xiàn)傳感器節(jié)點信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制等功能。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

1、傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點由傳感器模塊、Zigbee模塊、燈光輸出模塊組成，節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊采用瑞士Sensirion公司推出的SHT11傳感器，它基于CMOSensTM 技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換的特點，同時具有IIC總線接口，方便與通用處理器進行數(shù)據(jù)交互。

Zigbee模塊是傳感器節(jié)點的核心，選擇美國TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。它是2.4GHz的片上系統(tǒng)，遵循IEEE802.15.4標準協(xié)議。CC2530內(nèi)部有8051微控制器、內(nèi)存、外設(shè)、時鐘、電源管理及RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。它通過IIC總線讀取SHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。為了使系統(tǒng)工作時間持續(xù)長，節(jié)點采用間歇式工作方式，系統(tǒng)大部分時間處于休眠狀態(tài)。

2、網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

智能控制網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)的核心設(shè)計，負責內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)和外部NB-IOT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要由ARM Cortex-M3處理器控制器模塊、ZigBee控制模塊、NB-IOT網(wǎng)絡(luò)模塊通信、通用輸入輸出口及復(fù)位JTAG調(diào)試接口構(gòu)成，智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)的主控制器采用ST公司的STM32L151芯片。該處理器內(nèi)部集成了FLASH及RAM，中斷控制器，DMA控制器，時鐘和電源管理，同時內(nèi)部具有高速USB、IIC、LCD、串口等豐富接口資源，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計原理。

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）的縮寫，是一個新興的技術(shù)。它構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只需消耗約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。本系統(tǒng)采用上海移遠公司生產(chǎn)的BC26 NB-IOT模塊，它基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺研發(fā)。支持全球頻段，超小體積僅為17.7x15.8x2.0mm，低供電電壓及豐富的外部接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

四、軟件實現(xiàn)

1、軟件開發(fā)平臺

系統(tǒng)軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的，良好的軟件設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提供系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在?；谕ㄓ眯约氨阌陂_發(fā)的考慮，本系統(tǒng)軟件設(shè)計使用IARSystems公司的IAR Embeded Workbench集成開發(fā)平臺。它是一個完全集成的開發(fā)環(huán)境，包括C/C++編譯器、工程管理器、編輯器、構(gòu)建工具以及通用的C-SPY調(diào)試器。它在編譯過程中對代碼和速度進行高度優(yōu)化。更高效率地采用了堆棧，靜態(tài)和全局變量?？梢园讶魏螖?shù)據(jù)定義在EEPROM范圍之內(nèi)，并對大容量的FLASH進行隨機讀取。這套工具提供了相似且直觀的用戶界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具之一。

2、傳感器節(jié)點程序設(shè)計

傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)兩項功能：一是ZigBee網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)之間通信，二是進行溫濕度數(shù)據(jù)采集。圖4為傳感器節(jié)點流程圖。其工作流程為：節(jié)點上電后進行信道掃描，如果接收到信標幀，則證明當前區(qū)域內(nèi)存在ZigBee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，便發(fā)送入網(wǎng)請求，入網(wǎng)成功后，傳感器節(jié)點按間歇式工作進行溫濕度數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。

3、智能控制網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

智能控制網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)外網(wǎng)和內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保網(wǎng)絡(luò)間正常通信。采集節(jié)點將監(jiān)控的信息進行打包處理，包括地址信息與檢測到的數(shù)據(jù)信息，以ZigBee幀的方式無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到信息后，對原始數(shù)據(jù)進行處理，并對數(shù)據(jù)是否異常進行判斷，再以NB-IOT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行打包處理發(fā)送。圖5為智能控制網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

五、結(jié)論

本文提出的基于ZigBee的電纜溝溫濕度采集系統(tǒng)，采用ARM硬件平臺，將Zigbee與NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對電纜溝內(nèi)的電力電纜進行溫度、濕度的測量，并通過移動終端或PC端，實時監(jiān)測電纜及溝內(nèi)環(huán)境狀況。通過實驗證明運用這種解決方案，有很強的實用性，對智能電網(wǎng)的“信息化、數(shù)字化、自動化、互動化”發(fā)展和建設(shè)有重要的推廣意義和巨大的經(jīng)濟潛力。

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