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，這些設(shè)備在母線承載電流過大或開關(guān)接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導(dǎo)致?lián)舸?，造成惡性事故。因此及時測量高壓母線接頭和高壓開關(guān)觸點溫度，為采取有效措施提供信息，將是電力系統(tǒng)安全運行的重要保障。
目前，專門用于測量高壓母線接頭和高壓開關(guān)觸點溫度的方法有以下三種：
其一、在母線接頭和開關(guān)觸點的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料（如感溫臘），通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍。這種方法準確度低、可讀性差，不能進行定量和實時測量，方法原始且對員工的要求高。
其二、利用紅外測量儀，操作人員定時手持儀器對準母線接頭和高壓開關(guān)觸點進行測量。這種方法在 0℃～200℃之間的溫度值誤差小、準確度高，但是，仍然無法做到實時測量，且價格高、光學器件在高壓場合使用不便。
其三、目前的無線測溫設(shè)備。由于無線發(fā)射設(shè)備本身供電功率較大并要求高壓絕緣，用于檢測高等級電壓回路，成本很高，無法普及。
針對上述幾種方案優(yōu)缺點的分析，本文在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫管理系統(tǒng)。通過采用 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開關(guān)接點溫度的實時在線檢測，并通過互聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)控中心實時監(jiān)視運行狀態(tài)，真正做到了遠距離遙測。 1 應(yīng)用方案設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫管理系統(tǒng)由傳感器節(jié)點（ 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（RFD）用于采集監(jiān)測信息并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于建立一個新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接收信息，發(fā)送控制命令；監(jiān)控中心（通用計算機）通過RS-232串口實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信。
 

2 ZigBee體系結(jié)構(gòu)
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于 IEEE 802.15.4技術(shù)標準和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)是中短距離、低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有射頻傳輸成本低，各節(jié)點只需要很少的能量，功耗低，適于電池長期供電，快速組網(wǎng)自動配置，自動恢復(fù)和高級電源管理等優(yōu)點。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，各節(jié)點之間可以進行通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75米，擴展到幾百米，甚至幾公里，整個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接，例如可以通過互聯(lián)網(wǎng)來控制某地的一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
基于IEEE 802.15.4技術(shù)標準的 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)訪問控制（ MAC）層協(xié)議主要采用 IEEE802.15.4標準，而 ZigBee聯(lián)盟負責網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場推廣等【1】。介質(zhì)訪問控制（ MAC）層實現(xiàn)了 IEEE
802.15.4規(guī)范所要求的功能，并負責同物理（ PHY）層進行交互；網(wǎng)絡(luò)（ NWK）層負責建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接，它獨立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求； ZigBee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子（APS）層、ZigBee設(shè)備對象（ ZDO）和制造商所定義的應(yīng)用對象。 APS層主要提供 ZigBee端點接口，應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個或多個端點并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)【2】。
 

3 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計
無線傳感器節(jié)點的核心部件采用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現(xiàn)信號的收發(fā)功能。無線測溫傳感器電路如圖4所示：
 

DS1822是一種一線數(shù)字溫度計，它用一根信號線來實現(xiàn)互連通信，其內(nèi)部電路的核心是一個直接數(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都有一個唯一的且不可改寫的 ROM ID(標識碼，即電子序列號)，在實際應(yīng)用中可以通過指令方便地進行查詢【4】。CC2430通過定時采樣 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）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，實現(xiàn) CC2430與監(jiān)控中心的通信。 4 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計
軟件部分需要解決的問題包括：溫度及報警信息的采集；ZigBee協(xié)議棧（ Z-Stack）； ZigBee與PC機的通信等。溫度及報警信息的采集可由 CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成。ZigBee協(xié)議棧運行在一個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)度機制，通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個任務(wù)都包含若干個事件，每個事件都對應(yīng)一個事件號。
當一個RFD節(jié)點初始化完成之后，如果此時在其高頻覆蓋范圍內(nèi)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于正常工作狀態(tài)，而RFD節(jié)點又與該網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同頻時，可以調(diào)用aplJoinNetwork（）函數(shù)加入當前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
首先RFD節(jié)點上電后掃描網(wǎng)絡(luò)中是否有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。如果此時主機存在，主機會自動應(yīng)答RFD節(jié)點，當RFD節(jié)點收到主機的3次應(yīng)答信號后， RFD節(jié)點就向網(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)點發(fā)送上來的 64位物理地址后，根據(jù)加入的先后給RFD節(jié)點分配16位的短網(wǎng)絡(luò)地址。此時 RFD節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)成功。
CC2430中含有兩個串行通信接口 USART0和USART1。利用 USART0進行通信時需要對其串行通信的模式、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）。
針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（路由節(jié)點）和 RFD節(jié)點，程序所用的協(xié)議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節(jié)點的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節(jié)點中【5】。限于篇幅，文中只給出了與上位機通信相關(guān)的FFD主程序：

5 監(jiān)控界面設(shè)計
//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點亮   //格式化一個新的網(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，字符發(fā)送成功 //屏蔽發(fā)送完成中斷
//節(jié)點地址
//屏蔽發(fā)送完成中斷 //發(fā)送節(jié)點溫度
//使能接收  //讀接收緩沖器的值  //y為上位機控制信息 //屏蔽接收完成中斷
監(jiān)控界面使用VB6.0可視化程序設(shè)計語言開發(fā)。利用 VB6.0提供的 MSComm串行通信控件，可以方便的實現(xiàn)計算機與 CC2430之間的串行通信。監(jiān)控中心通過 RS-232實現(xiàn)與 FFD的串行通信。從而實現(xiàn)監(jiān)控中心實時監(jiān)測 FFD和RFD的工作狀態(tài)，并可以對 FFD和RFD實施控制。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，無奇偶校驗位。為了使用 MSComm控件，需要在“部件”對話框的“控件”選項卡中選中“ Microsoft Comm Control 6.0”選項，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)計語言，采用事件驅(qū)動的編程機制，對各個對象需要響應(yīng)的事件分別編寫程序代碼，對每個事件過程的程序代碼來說，一般比較短小簡單，調(diào)試維護也比較容易。本控制系統(tǒng)上位機監(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，運行監(jiān)控界面時發(fā)生

實驗與結(jié)論
基于 CC2430的 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過在南陽某 110kV變電站進行的測試，獲得了良好的效果。測試用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的硬件部分由 6個 RFD節(jié)點、1個 FFD節(jié)點及一臺筆記本電腦組成。測試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下： RFD與 FFD的通信距離最遠可達 180米（加長天線）， FFD與 PC通信距離可達 10米（制作的 RS-232數(shù)據(jù)線為 10米），無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的時間小于 1秒，RFD加入網(wǎng)絡(luò)的時間小于 0.5秒，PC機上的監(jiān)控信息刷新時間小于 1秒，達到實時監(jiān)控的要求。變電站的電磁干擾對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)無影響。測試的結(jié)果表明，本文所設(shè)計開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是成功的，具有很好的應(yīng)用價值。
本文作者創(chuàng)新點：設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫管理系統(tǒng)，通過采用 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開關(guān)接點溫度的實時在線檢測，并通過互聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)控中心實時監(jiān)視運行狀態(tài)，真正做到了遠距離遙測。
參考文獻
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[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)計與開發(fā)技術(shù)大全 .北京：人民郵電出版社,2004 作者簡介