0 引言
在電力系統(tǒng)中，高電壓、大電流供電設(shè)備隨處可見(jiàn)，這些設(shè)備在母線承載電流過(guò)大或開(kāi)關(guān)接觸電阻過(guò)大時(shí)，極易引起過(guò)高的溫升，若得不到及時(shí)解決將使絕緣部件性能降低，甚至導(dǎo)致?lián)舸斐蓯盒允鹿?。因此及時(shí)測(cè)量高壓母線接頭和高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)溫度，為采取有效措施提供信息，將是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。
目前，專門用于測(cè)量高壓母線接頭和高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)溫度的方法有以下三種：
其一、在母線接頭和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料（如感溫臘），通過(guò)觀察其顏色變化來(lái)大致確定溫度范圍。這種方法準(zhǔn)確度低、可讀性差，不能進(jìn)行定量和實(shí)時(shí)測(cè)量，方法原始且對(duì)員工的要求高。
其二、利用紅外測(cè)量?jī)x，操作人員定時(shí)手持儀器對(duì)準(zhǔn)母線接頭和高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。這種方法在 0℃～200℃之間的溫度值誤差小、準(zhǔn)確度高，但是，仍然無(wú)法做到實(shí)時(shí)測(cè)量，且價(jià)格高、光學(xué)器件在高壓場(chǎng)合使用不便。
其三、目前的無(wú)線測(cè)溫設(shè)備。由于無(wú)線發(fā)射設(shè)備本身供電功率較大并要求高壓絕緣，用于檢測(cè)高等級(jí)電壓回路，成本很高，無(wú)法普及。
針對(duì)上述幾種方案優(yōu)缺點(diǎn)的分析，本文在研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)溫管理系統(tǒng)。通過(guò)采用 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開(kāi)關(guān)接點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測(cè)。 1 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)溫管理系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)（ RFD）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（ FFD）及監(jiān)控中心組成。如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)（RFD）用于采集監(jiān)測(cè)信息并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于建立一個(gè)新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接收信息，發(fā)送控制命令；監(jiān)控中心（通用計(jì)算機(jī)）通過(guò)RS-232串口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信。
 

2 ZigBee體系結(jié)構(gòu)
ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于 IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)是中短距離、低速率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有射頻傳輸成本低，各節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，功耗低，適于電池長(zhǎng)期供電，快速組網(wǎng)自動(dòng)配置，自動(dòng)恢復(fù)和高級(jí)電源管理等優(yōu)點(diǎn)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，擴(kuò)展到幾百米，甚至幾公里，整個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接，例如可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)控制某地的一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。ZigBee技術(shù)的物理（ PHY）層和介質(zhì)訪問(wèn)控制（ MAC）層協(xié)議主要采用 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場(chǎng)推廣等【1】。介質(zhì)訪問(wèn)控制（ MAC）層實(shí)現(xiàn)了 IEEE
802.15.4規(guī)范所要求的功能，并負(fù)責(zé)同物理（ PHY）層進(jìn)行交互；網(wǎng)絡(luò)（ NWK）層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求； ZigBee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子（APS）層、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ ZDO）和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。 APS層主要提供 ZigBee端點(diǎn)接口，應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_(kāi)或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)【2】。
 

3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部件采用Chipcon公司生產(chǎn)的 2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430。該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內(nèi)存和微控制器等【3】。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。
 

CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。無(wú)線測(cè)溫傳感器電路如圖4所示：
 

DS1822是一種一線數(shù)字溫度計(jì)，它用一根信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)互連通信，其內(nèi)部電路的核心是一個(gè)直接數(shù)字輸出的溫度傳感器。它可以將 -55℃~125℃范圍內(nèi)的溫度值按 9位、10位、11位、12位的分辨率進(jìn)行量化，其最高分辨率為 0.625℃，工作電壓范圍為 3.0 V~5.5 V。每一片DS1822都有一個(gè)唯一的且不可改寫的 ROM ID(標(biāo)識(shí)碼，即電子序列號(hào))，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)指令方便地進(jìn)行查詢【4】。CC2430通過(guò)定時(shí)采樣 DS1822的溫度值，可以降低功耗。
FFD（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）的電路圖與 RFD（傳感器節(jié)點(diǎn)）的電路圖基本類似，只是在 FFD的電路圖中增加了一片RS-232接口芯片MAX3243，實(shí)現(xiàn) CC2430與監(jiān)控中心的通信。 4 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
軟件部分需要解決的問(wèn)題包括：溫度及報(bào)警信息的采集；ZigBee協(xié)議棧（ Z-Stack）； ZigBee與PC機(jī)的通信等。溫度及報(bào)警信息的采集可由 CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成。ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）操作系統(tǒng)上，該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過(guò)對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。
當(dāng)一個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)初始化完成之后，如果此時(shí)在其高頻覆蓋范圍內(nèi)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于正常工作狀態(tài)，而RFD節(jié)點(diǎn)又與該網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同頻時(shí)，可以調(diào)用aplJoinNetwork（）函數(shù)加入當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
首先RFD節(jié)點(diǎn)上電后掃描網(wǎng)絡(luò)中是否有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。如果此時(shí)主機(jī)存在，主機(jī)會(huì)自動(dòng)應(yīng)答RFD節(jié)點(diǎn)，當(dāng)RFD節(jié)點(diǎn)收到主機(jī)的3次應(yīng)答信號(hào)后， RFD節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的 64位物理地址。之后網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到 RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來(lái)的 64位物理地址后，根據(jù)加入的先后給RFD節(jié)點(diǎn)分配16位的短網(wǎng)絡(luò)地址。此時(shí) RFD節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功。
CC2430中含有兩個(gè)串行通信接口 USART0和USART1。利用 USART0進(jìn)行通信時(shí)需要對(duì)其串行通信的模式、傳輸?shù)牟ㄌ芈始跋嚓P(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行定義。需要初始化的寄存器有： U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制與狀態(tài)寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。
針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（路由節(jié)點(diǎn)）和 RFD節(jié)點(diǎn)，程序所用的協(xié)議棧是一樣的，所以都在一個(gè)工程中，主程序包含所有節(jié)點(diǎn)的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節(jié)點(diǎn)中【5】。限于篇幅，文中只給出了與上位機(jī)通信相關(guān)的FFD主程序：

5 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)
//CC2430初始化 //初始化協(xié)議棧 //使能中斷  //P1端口輸出模式設(shè)定
//P0.5接LED，顯示協(xié)調(diào)器的狀態(tài)
//p1_0、p1_3點(diǎn)亮   //格式化一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò) //等待格式化網(wǎng)絡(luò)完成
//起始位為低電平，停止位為高電平   //一幀數(shù)據(jù)為10位 //UART模式，接收使能 //波特率為57600bps
 //應(yīng)用層處理函數(shù)
 //發(fā)起始字符 // UTX0IF=0時(shí)，字符發(fā)送成功 //屏蔽發(fā)送完成中斷
//節(jié)點(diǎn)地址
//屏蔽發(fā)送完成中斷 //發(fā)送節(jié)點(diǎn)溫度
//使能接收  //讀接收緩沖器的值  //y為上位機(jī)控制信息 //屏蔽接收完成中斷
監(jiān)控界面使用VB6.0可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。利用 VB6.0提供的 MSComm串行通信控件，可以方便的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與 CC2430之間的串行通信。監(jiān)控中心通過(guò) RS-232實(shí)現(xiàn)與 FFD的串行通信。從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) FFD和RFD的工作狀態(tài)，并可以對(duì) FFD和RFD實(shí)施控制。監(jiān)控中心與 FFD設(shè)定的通信協(xié)議為：波特率為 57600bps，1位起始位， 8位數(shù)據(jù)位， 1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。為了使用 MSComm控件，需要在“部件”對(duì)話框的“控件”選項(xiàng)卡中選中“ Microsoft Comm Control 6.0”選項(xiàng)，單擊“確定”按鈕后控件將被添加到Visual Basic的工具箱中【6】。
Visual Basic6.0是面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用事件驅(qū)動(dòng)的編程機(jī)制，對(duì)各個(gè)對(duì)象需要響應(yīng)的事件分別編寫程序代碼，對(duì)每個(gè)事件過(guò)程的程序代碼來(lái)說(shuō)，一般比較短小簡(jiǎn)單，調(diào)試維護(hù)也比較容易。本控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序需要響應(yīng)的事件
有：退出監(jiān)控界面事件、控制設(shè)定事件、裝載事件（初始化通信口）、定時(shí)器事件、信息接收事件等。限于篇幅，本文只列出裝載事件的程序代碼及注釋。 Private Sub Form_Load( ) '裝載事件，運(yùn)行監(jiān)控界面時(shí)發(fā)生

實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
基于 CC2430的 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)在南陽(yáng)某 110kV變電站進(jìn)行的測(cè)試，獲得了良好的效果。測(cè)試用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的硬件部分由 6個(gè) RFD節(jié)點(diǎn)、1個(gè) FFD節(jié)點(diǎn)及一臺(tái)筆記本電腦組成。測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下： RFD與 FFD的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 180米（加長(zhǎng)天線）， FFD與 PC通信距離可達(dá) 10米（制作的 RS-232數(shù)據(jù)線為 10米），無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的時(shí)間小于 1秒，RFD加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間小于 0.5秒，PC機(jī)上的監(jiān)控信息刷新時(shí)間小于 1秒，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。變電站的電磁干擾對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)無(wú)影響。測(cè)試的結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是成功的，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)溫管理系統(tǒng)，通過(guò)采用 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開(kāi)關(guān)接點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測(cè)。
參考文獻(xiàn)
[1]夏益民，梅順良，江億.基于 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) [J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（2）
[2] CC2430 2.4 GHz IEEE 802.15.4 /ZigBee-ready RF Transceiver [OL]. http://www.chipcon. com.
[3]  CC2430 A True System-on-Chip solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4 /ZigBee[OL]. http://www.chipcon.com.
[4]張廣紅等 . 一線式數(shù)字溫度計(jì) DS1822的原理及應(yīng)用 [J].國(guó)外電子元器件， 2005（2）
[5] 8051 IAR Embedded Workbench Help [OL]. http://www.iar.com.
[6] 求是科技編著 .Visual Basic6.0程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)大全 .北京：人民郵電出版社,2004 作者簡(jiǎn)介