引言
隨著現代電力系統向著高電壓、大機組、大容量的迅速發展，對供電可靠性的要求也越來越高。發電廠、變電站的高壓開關櫃是重要的電氣設備。在設備長期運行過程中，開關櫃中的母線接點、高壓電纜接頭等部位因老化或接觸電阻過大而發熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至擊穿而造成事故。據統計，電力系統發生事故原因中有相當一部分與發熱問題有關。因此，電氣設備溫度線上監測問題己經成為電力系統中電氣設備安全運行所急需解決的實際問題，是提高電氣設備可靠性的迫切需要，對保障電力系統安全穩定運行具有十分重要的意義，必須採取有效措施監控母線溫度。當溫升超過允許值時，必須發出報警信號及時提醒有關人員採取措施，避免事故的發生。
由於開關櫃中的母線處於高壓電位，每相對地和不同相之間都存在很高的電壓，且結構狹小，無法進行人工巡查測溫，所以直接檢測高壓母線溫度一直是電力系統檢測中的一個難題。現有的測溫系統根據數據傳輸方式有三類：普通電纜，光纖和無線傳輸。對於電力母線接點、高壓電纜接頭等，網點數多，電壓高，電磁干擾強。普通電纜顯然是不行的。光纖式溫度線上監測裝置，一般是採用光纖傳導信號，不受高壓和環境的干擾。缺點是光纖具有易折、易斷、不耐高溫的特點，並且布線難度較大，比較昂貴。
基於這些可以使用無線傳輸，高壓電會產生很強的電磁場，對無線電波干擾很大，需要選擇適當頻率的無線網路，另外測溫設備要用電池供電，測溫設備必須低功耗，工作時間長。體積小，易安裝。儘管國內外已經研究了多種方案來監測母線溫度，但均有一定的局限性和不足。Zigbee無線網路的低成本、短時延、免執照頻段、高安全、近距離、低複雜度，低功耗等優點，滿足高壓母線測溫的條件，是解決的良好途徑。
ZigBee技術
1999年，藍牙熱潮席捲全球，然而發展數年，一直受晶片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。
IEEE無線個人區域網工作組的 IEEE802.15.4技術標準是 ZigBee技術的基礎。 IEEE802.15.4滿足國際標準組織（ ISO）開放系統互連（OSI）參考模式。它定義了單一的 MAC層和多樣的物理層.
系統設計
3.1 系統框架
本文提出一種比較理想的母線測溫方案：以 Zigbee為無線感測器網路，乙太網（或高速 RS-485）為骨幹網， cc2430低功耗單片機為感測器控制核心，採用一線式數字溫度感測器 DS18B20為溫度採集裝置的高壓母線溫度測量方案。
無線溫度測量系統由三部分組成：
(1) 無線感測器節點：負責採集監測點的溫度數據，並把數據通過 ZigBee網路傳送。
(2) ZigBee網路管理器（區域數據傳輸中心）：負責收集無線感測器節點發出的溫度數據，並把所收集的數據上傳到測溫主機。
(3) 數據管理系統：負責對數據接收終端進行工作參數設定，接收從系統中各個 ZigBee網關終端上傳的測溫數據，並對數據保存，分析和管理等；測溫數據可在系統實時資料庫中作長期存儲記錄，供隨時查詢顯示。
無線溫度採集器直接安裝在母線上，一個 ZigBee網路管理器能管理多個無線感測器節點，網路管理器通過高速骨幹網路傳輸到系統實時資料庫伺服器，由監控終端實時顯示數據，溫度變化曲線圖，能列印相關報表，當母線溫度異常時，管理終端通過多種報警方式提醒相關人員採取措施。
3.2 無線感測器節點
無線溫度感測器節點是該網路的基本單元，它負責獲取溫度數據和數據的預處理，並將之傳輸到ZigBee網路管理器。無線溫度感測器節點組成部分：內部集成符合 IEEE802.15.4標準的2.4GHz的射頻(RF)收發器的CC2430無線單片機 [3]；創羿科技推出的CY-TAT-200溫度感測器等。CY-TAT-200直接通過單線與CC2430單片機I/O口連線，不必另外增加專門的匯流排控制器，減少硬體成本。減小了無線溫度感測器節點的體積。
3.3ZigBee網路管理器
在該系統中的ZigBee網路管理器集成了 ZigBee網路中的網關和協調器的功能，具備至關重要的作用，一方面採用 ZigBee無線網路方式與無線溫度感測器節點連線，並且以固定的時間間隔對無線溫度感測器節點進行測溫以及讀取它的工作參數，同時存入記憶體，這就需要每個終端為所管理的無線溫度感測器節點設定編號表，以免發生錯亂；另一方面採用或乙太網（或RS-485匯流排）與測溫主機連線，受控於測溫主機的命令而做出一系列的反映。具體功能有：接收並存儲感測器數據；管理所管轄的 ZigBee子網；報警功能；傳輸數據給測溫主機；設定和修改終端工作參數；工作狀態指示；時鐘和看門狗功能。
無線溫度感測器節點的工作參數（發射頻率、發射功率、採樣間隔）事先通過撥碼開關，在安裝前設定好，使用過程中無法通過無線方式修改參數。無線溫度感測器節點與 ZigBee網路管理器間的通信，無線溫度感測器節點傳送的無線數據包格式：開始標誌 STX(AAH)；感測器編號 ID（4Byte）；溫度數據：溫度數據 Temp占 2個位元組，其最高位（ D15）表示正負（0-正，1-負）；狀態位元組：從採集器發往接收終端的狀態位元組的含義（D7–故障標誌： D7=1表示有故障，這時 D6~D0為故障碼（ >1）；D7=0表示無故障，這時： D4~D3–採樣間隔，00-1秒，01--30秒，10-2分鐘， 11-10分鐘； D2–發射功率， 0-低，1-高；D1D0–電池電量，00-無，01-低，10-中，11-高。校驗碼 CRC8（1Byte）；結束標誌 etx（55H）
關鍵技術
4.1系統網路設計
ZigBee網路有三種網路拓樸結構 [4]：星型、片狀和網狀網路結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理 254個子節點；同時主節點還可由上一層網路節點管理，最多可組成 65000個節點的大網。
發電廠、變電站的高壓開關櫃中的母線眾多。網路感測器需要大量分布，監控數據量大以及實時性要好等特點。ZigBee網路採用片狀和網狀網路結構，最多可組成 65000個節點的大網，可以滿足網路感測器節點的需求，但在 ZigBee協調器（主節點）與 ZigBee路由， ZigBee網關之間的線路傳輸的數據量大，而速率最高僅為250kbps，滿足不了該系統要求。並且 ZigBee網路採用CSMA/CA的媒質訪問控制機制、確認幀的應答方式和 CRC-16 ITU的校驗機制。所有節點在一個網路中，那么衝突域很大，影響傳輸效果。
為提高骨幹網的傳輸效率，減小無線網路傳輸信號碰撞，縮短延時時間，更有利於提高數據傳輸效率，方便系統管理與維護。在設計該系統時對網路做了兩點改進：
一、把整個無線感測器網路分成多個子網，把蜂窩網路結構引入到 Zigbee網路中，如圖，每一個六邊型區域構建一個 ZigBee網路,蜂窩網路結構（小區制），相鄰區域使用不同的頻率，不相鄰區域可以使用相同的頻率。根據 IEEE 802.15.4-2003協定（共規定了 27個通信信道： 868MHz有 1個，速率為 20kbps；915MHz有 lO個，速率為40kbps； 2.45GHz有16個，速率為 250kbps。[1]），ZigBee網路頻率採用 2.45GHz， 16個通信信道足夠，這樣滿足了系統的需求，也不浪費無線頻率資源。並根據系統安裝的情況和用戶的配置，由 ZigBee網路管理器負責進行管理。
二、子網與監控管理子系統之間的骨幹網，根據工業現場的條件採用乙太網或高速 RS-485網路傳輸。採用各種網路的長處在實際套用中得到了良好的效果。
4.2可靠性設計
在該系統中溫度感測器節點與ZigBee網路管理器之間的數據通信是基於ZigBee無線網路的。在無線傳輸過程中，由於受傳輸距離、現場狀況等許多可能出現的因素的影響，感測器節點與ZigBee網路管理器之間通信常會發生無法預測的錯誤。為了使系統能夠可靠地通信，在設計ZigBee通信協定棧時需考慮數據傳輸的可靠性。
1.在物理層對傳送數據進行CRC校驗以保證傳輸的正確性。
2. MAC層數據通信採用GTS模式，保證ZigBee無線網路中數據通信的可靠性。
3.傳輸層提供可靠傳輸服務，要求接收方回響確認幀。
4.感測器節點調用Zigbee協定棧套用層數據服務接口，便可將溫度數據傳輸到ZigBee網路管理器。 5. ZigBee網路管理器和監視中心主機之間數據通信是基於乙太網網路（或RS-485）的， ZigBee網路管理器採用 AX88796乙太網控制器（或工業級 max485）晶片實現數據傳輸，它們的各種機制和算法保證了數據可靠傳輸。
無線溫度感測器節點和ZigBee網路管理器都有看門狗，硬體電路進行了抗干擾設計。系統資料庫採用穩定可靠的實時資料庫Infoplus，管理終端與伺服器分開，保證系統穩定可靠運行。
4.3節點低功耗設計
在電力母線測溫系統中，感測器節點安裝後，需要持續工作很長時間，高能量電池的選擇是必要的，但節點的節能是一個更加重要的問題。降低溫度採集器的能耗，主要通過選擇低功耗晶片，減少晶片工作時間：採用內部集成符合 IEEE802.15.4標準的 2.4GHz的射頻 (RF)收發器的CC2430無線單片機和數字溫度感測器 CY-TAT-200晶片，可滿足感測器網路對低功耗的要求；CPU以最快的速度執行任務，然後進入休眠模式，通過中斷喚醒單片機和射頻收發器。
設計 ZigBee通信協定棧，各層均實現節能機制，降低節點的能耗，儘量降低信號的發射功率。信號發射功率的降低會導致傳送節點的功耗下降。MAC層數據通信採用GTS模式，在保證時隙內傳送數據，其它時隙可以進入休眠模式。晶片還採用了CSMA-CA技術來避免數據傳送時的競爭和衝突[5]，也減少了不必要的能量消耗。經過測算，選用高能量的電池，該無線溫度感測器可以工作十年左右。
5 結束語
該無線溫度感測器網路以ZigBee網路通信為核心，結合蜂窩網路結構和高速區域網路的優點,減少信號碰撞，增強系統骨幹網的傳輸能力。採用低成本、低功耗無線單片機 CC2430、數字溫度感測器獲取數據，理想地實現了高壓測溫一次設備和二次監測設備的電隔離、保證系統的安全可靠性。實現了高壓母線溫度數據的自動化測量，很好的解決了高壓環境下，母線溫度檢測的問題。系統工作穩定可靠、檢測精度高，速度快，且具有無線數據通信靈活方便等特點。隨著 ZigBee網路的快速發展，將更加適用於工業現場環境、監測封閉空間和其它需要多點監測的特殊場合。
