基于ZigBee无线传感器网络的端子箱环境监测系统.pdf

观代建筑电气
VIAEL
供配电
No 9 Vol 4(Serial No 45)2013
基于 Lig Bee无线传感器网络的
端子箱环境监测系统
丁国兴,高琴
(1.福建省电力有限公司检修分公司,福建福州350013;
2.福建水口发电集团有限公司,福建福州350002)
摘要:采用 Zigbee网络处理器配合数字式温、湿度传感器模块,设计了一套变
电站端子箱环境检測系统,实现了端子箱温、湿度数据自动采集、无线传输、集中管
丁国兴(1983-),男,
理、异常预警等功能。系统分为三部分:数字式温、湿度采集器,数据集中器和系
工程师,从事电力系
统监测管理软件。数字式温、湿度采集器和数据集中器基于 Zigbee I网络处理器及
统继电保护、电力系
Jennic C软件平台开发,应用Z7 ig Bee无线通信技术组网;系统监測管理软件基于
统通信方面的工作。
Win32平台开发,提供图形化人机交互界面及高级分析功能,满足多年历史数据存
储需求。
关键词:端子箱;环境监测; Zigbee无线通信;数字式传感器;变电站
中图分类号:TP302.1文献标志码:B文章编号:1674-8417(2013)090045-07
位,箱内环境恶化。
0引言
本文提出了一种端子箱环境监测方案,利用
端子箱是变电站普遍安装的户外设备,实现
无线传感器网络实现变电站内所有端子箱环境
次与二次系统间的电气连接,箱内一般装有大数据的采集监测,能迅速发现箱内环境变化,且
量端子排、小型空气开关、二次电缆及其他辅助根据历史环境数据进行分析,给出针对性的维护
装置,功能涉及各种保护、测控、防误闭锁回路,
指导,提高维护效率,并减轻工作量。基于
是二次系统中的一类重要设备,其维护的重要性ZgBe无线传感器网络的温、湿度采集器体积
不言而喻。端子箱大多安装在室外,由于室外环
小,安装简单,能方便地在变电站内部署。
境温差大,并常常伴有雨雪雾霜,造成箱内凝露、
滴水现象,进而导致二次回路绝缘下降乃至短
1系统方案
路,影响变电站的安全稳定运行。
1.1 Zigbee技术介绍
为了保证端子箱内稳定的气象环境,箱内
Zigbee是一种基于IEE802.15.4标准的短
般配置温、湿度控制器,以加热、通风等方法实现距离低功耗无线通信技术。其特点是协议简
箱内温、湿度控制。但现有的控制器不具备通信
单、网络自组织、低功耗低数据速率、低成本,主
功能,无法将温、湿度数据集中上传;箱内温、湿要适用于自动控制和远程控制领域,可以嵌人各
度数据依靠人工巡视收集,效率低下;加热、通风
种设备。 Zigbee网络中有三种类型的节点,即协
设备出现故障难以及时发现,常常造成维护不到
调者( Coordinator)、路由器( Router)、末级终端
高琴(1985-),女,工程师,从事电力系统继电保护、水电厂自动化系统方面的工作。
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No9 Vol 4 (Serial No 45)2013
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( Enddevice)。 Zigbee网络有自组织能力,网络
中的所有节点由 Coordinator自动管理, Router、
RS-485通倍数据集中器
(Coordinator)
Enddevice加入 Coordinator组织的网络。
位机
Coordinator为每个加人网络的节点分配一个地
址,并对整个网络的地址进行管理;网络中的通
信节点( Enddevice、 Router)可通过 Router节点进
端子箱、
数字式温、湿度采集器
行数据路由,延长通信距离或通过链路迂回提高
通信可靠性。
在工程中应用 Zigbee I网络时,可采用专用的
端子箱{端子箱端子箱
Z/ igbee I网络处理器,如 Jennic公司JN5139系列
处理器、DGH公司XBee系列处理器,这些处理器
封装了微控制器(MCU)及IEE802.15.4通信
端子箱端子箱端子箱
芯片,并内置了完善 Zigbee协议栈,配合厂商提
图1系统网络拓扑图
供的二次开发环境(IDE),能够较为方便地部署。
基于 Zigbee的应用,大大降低了 Zigbee技术的
电池供电的低功耗环境,端子箱内有可靠的电源
开发难度。
供电,不必考虑芯片所使用的mW级功率消耗。
该系统采用emie公司JNI9系列 Zigbee2 Jennic Zigbee应用程序框架
模块,该系列模块内置完整的 IEEE802.15.4网
络控制器,并封装有32位RISC处理及基本操作
Jennic Zigbee应用程序框架是所有基于
系统(BOS),整个模块体积只有硬币大小,能满
Jennic Zigbee系统程序的总模式,包含基本操作
足大多数 Zigbee网络应用需求“。
系统(BOS)、协议機( Stack)、应用程序接口
1.2 Zigbee组网方案
(API)三部分。其中BOS与 Stack是紧密耦合
在基于 Zigbee I网络的通信系统设计中,首
的,不必仔细区分,API是BOS/ Stack与应用程序
要考虑的就是网络拓扑的设计。 Zigbee i通信是
的接口。
种近距离通信技术,其有效距离一般按无遮
2.1开发环境搭建
挡条件下不大于1km考虑。实际工程中,考虑
开发基于JN5139 Zigbee模块应用,需要两
到电磁干扰、遮挡、设备功耗、通信可靠性等因
个基本工具:开发工具链SDK- Toolchain和程序
素,可按其有效距离100m考虑,因此必须合理
下载工具 Flash Programmer。开发工具链SDK
安排网络中的 Router节点及 Enddevice节点的
Tool Chain安装后包含经 Jennic定制的
数量及分布。
Codeblocks IDE开发环境、 Jennic C编译器、API
该系统中,由于安装位置在端子箱,传感器
头文件和已编译的API库文件。开发者需要在
供电有较好保障。变电站的端子箱数量一般不 Codeblocks IDE开发环境中编写代码、指定目标
会大于200个,在留有充分裕量的条件下可按网
器件的 Zigbee节点类型、编译源文件等,而
络节点500个考虑,系统网络拓扑如图1所示。
Jennic C由标准C语言衍生而来,具有绝大多数
图1中的虚线表示实际通信链路,网络中除「的标准C特性。 Flash Programmer通过串口可将
了一个 Coordinator节点外,其余均为Rour节编译后的代码下载到JNS139模块的Fan中。
点。该系统的 Zigbee网络中不采用 Enddevice
2.2应用程序框架及API
节点,全部使用 Router节点,由于 Router具备路
Jennic Zigbee应用程序框架如图2所示。
由特性,能较好地满足通信可靠性要求,整个网
个应用程序分为系统部分(BOS/ Stack,深色框)
络路由路径几乎是任意的。 Enddevice一般用于
和