【文章內(nèi)容簡介】 度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 對(duì)于礦用電力設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)最重要的環(huán)節(jié)是利用 DS18B20溫度傳感器測(cè)得的礦用電力設(shè)備內(nèi)部溫度來判斷電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過計(jì)算得出礦用電力設(shè)備溫度所允許通過的最大的傳輸電流，實(shí)際運(yùn)行中電力設(shè)備載荷與溫度之間的關(guān)系也是礦用電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一。 根據(jù)實(shí)際情況，礦用電力設(shè)備一般存在于環(huán)境相對(duì)惡劣的礦井下，考慮到實(shí)際的要求，我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能如下： （ 1） 對(duì)各個(gè)電力設(shè)備進(jìn)行溫度采集； （ 2） 對(duì)各個(gè)電力設(shè)備終端具有液晶溫度顯示； （ 3） 各路由器有聯(lián)網(wǎng)指示燈，協(xié)調(diào)器有組網(wǎng)成功指示燈； （ 4） 將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器； （ 5） 使協(xié)調(diào)器對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ； （ 6） 協(xié)調(diào)器將處理過后的溫度數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，使礦用電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)； （ 7） 將所收集到的各個(gè)電力設(shè)備溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，以便查找。 具有上述功能的礦用電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以用于實(shí)際生產(chǎn)之中。 在電力設(shè)備運(yùn)行后，其內(nèi)部絕緣層與導(dǎo)體線芯等組成部分會(huì)因?yàn)榱鬟^的電流而產(chǎn)生熱量，因此會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備各個(gè)部位的溫度上升，電力設(shè)備本身所能承受的最高溫度，由其本身絕緣層的性能所決定，其性能越好，所能承受的溫度越高，電力設(shè)備的載荷量受其正常情況下所承受最高的溫度限制，所以電力設(shè)備絕緣層以及電力設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線連接處是電力設(shè)備 性能的最大制約點(diǎn)。電力設(shè)備的載流量與電力設(shè)備溫度之間有重要聯(lián)系，電力設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵部位的最高溫度在正常情況下是不會(huì)超過電力設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線連接處的溫度的，因此電力設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線連接處的溫度決定了電力設(shè)備所能夠承受的最高溫度，經(jīng)過對(duì)電力設(shè)備連接處的溫度數(shù)據(jù)的手機(jī)，通過溫度與載流量之間的聯(lián)系，能夠最大程度的增大電力設(shè)施的載荷量，增加電力設(shè)備的使用效率。對(duì)礦用電力設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)基于使用 DS18B20溫度傳感器測(cè)得的電力設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線連接處的溫度數(shù)據(jù)來判斷電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，使用監(jiān)測(cè)中心測(cè)量出電力設(shè)備溫度能承受的最大傳輸電流 ，因此實(shí)際使用中電力設(shè)備載荷與溫度的聯(lián)系同樣是電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)所需要了解的重要因素。在解決了溫度采集問題后還要解決數(shù)據(jù)傳輸問題，根據(jù)礦用電力設(shè)備的分布實(shí)際情況，使用傳統(tǒng)的有線傳輸方式并不能完成溫度監(jiān)測(cè)的目的，因此需采用無線傳輸，結(jié)合各自無線傳輸方式的特點(diǎn)，例如，成本，功耗，性能，效率等，決定使用 ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用電力設(shè)備溫度的在線監(jiān)測(cè)。 ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)符合礦用電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)的基本條件，功耗低，成本低，開發(fā)速度快，傳輸效率高，是一種實(shí)用可靠的無線傳輸方式，符合本課題的 使用需求。 5 技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用，對(duì)礦用電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了一系列的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)，來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要針對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的礦用電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了如下的技術(shù)指標(biāo)。 （ 1） 溫度傳感器的測(cè)溫范圍在 0到 80攝氏度之間； （ 2） 上位機(jī)監(jiān)測(cè)礦用電力設(shè)備溫度信息，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)進(jìn)行報(bào)警措施； （ 3） 對(duì)礦用電力設(shè)備的溫度，每一秒采集一次； （ 4） 上位機(jī)信息需與電力設(shè)備實(shí)際信息準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)； （ 5） 將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，時(shí)間等保存在相應(yīng)的 Excel表格中； （ 6） 液晶屏需每秒刷新一次，并且顯示無誤。 礦用電力設(shè)備溫度監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 21所示，主要包括電力設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線連接處溫度采集、電力設(shè)備路由器接收到的溫度無線傳給協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器通過有線的方式傳到上位機(jī)各個(gè)部分構(gòu)成。礦用電力設(shè)備內(nèi)部溫度的檢測(cè)，是通過 DS18B20溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，通過總線可將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給無線傳感器模塊 CC2530芯片。電力設(shè)備內(nèi)部接線處的溫度數(shù)據(jù)通過 CC2530 無線傳輸給溫度收集節(jié)點(diǎn)（路由節(jié)點(diǎn)），溫度收集節(jié)點(diǎn)一般安裝在電力設(shè)備的外面，將射頻天線置于電力設(shè)備的外面，電力設(shè)備外面的收集節(jié)點(diǎn)通過 GPRS/GSM 方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給前置機(jī)（ 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)），網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過 RS232 串口通信將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心的 PC機(jī)上顯示并儲(chǔ)存，以備監(jiān)測(cè)中心工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)用數(shù)據(jù)。 6 P C 機(jī) C C 2 5 3 0 微 控 制 器編 程 與 調(diào)試 接 口電 源 管 理 （ 由P C 提 供 ）復(fù) 位 電 路無 線 通 信 模 塊 C C 2 5 3 0 發(fā) 射 模 塊C C 2 5 3 0 微 控 制 器溫 度 傳感 器電 源 管 理 復(fù) 位 電 路無 線 通 信模 塊編 程 與 調(diào) 試 接 口 C C 2 5 3 0 發(fā) 射 模 塊C C 2 5 3 0 微 控 制 器溫 度 傳感 器電 源 管 理 復(fù) 位 電 路無 線 通 信模 塊編 程 與 調(diào) 試 接 口 無 線 傳 輸C C 2 5 3 0 接 收 模 塊C C 2 5 3 0 發(fā) 射 模 塊監(jiān) 控 中 心圖 21 系統(tǒng)總體架構(gòu) 7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的控制中心，負(fù)責(zé) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的形成，網(wǎng)絡(luò) ID 的選擇與防沖突，信道的選擇等功能，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還可以通過發(fā)送指令對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)普通的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊和 USB轉(zhuǎn)串口的擴(kuò)展板構(gòu)成，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，通過 UART口將信息輸送出來，然后通過電平轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)傳送給 PC機(jī)進(jìn)行處理監(jiān)控。 現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)計(jì) 在礦用電力設(shè)備內(nèi)部接線處裝 DS18B20溫度傳感器，溫度傳感器通過總線與數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行連接，構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸終端定時(shí)采集溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)然后通過無線傳輸方式，傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過 RS232串口送監(jiān)控 PC上顯示并存儲(chǔ)，以備調(diào)用。傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的是礦用電力設(shè)備內(nèi)部接線處的溫度，一般放在電力設(shè)備箱里，給更新和維護(hù)帶來了極大的不便，所以，穩(wěn)定性與低功耗，對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)非常的重要。本文對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)，使用的是基于 ZIGBEE技術(shù)的 CC2530芯片，可以將采集的間隔調(diào)大，這么做不僅可以滿足數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，還可以降低溫度采集時(shí)所耗費(fèi)的電量?；?ZIGBEE技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作頻段在 ，這個(gè)頻段和電力設(shè)備產(chǎn)生的干擾的頻率相差甚遠(yuǎn)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率很低，而且采取了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，這種方式應(yīng)用在電力設(shè)備連接處溫度監(jiān)控工程項(xiàng)目中是最理想不過了?，F(xiàn)場(chǎng)層設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖 22 所示。 C C 2 5 3 0 發(fā) 射 模 塊C C 2 5 3 0 微 控 制 器溫 度 傳感 器電 源 管 理 復(fù) 位 電 路無 線 通 信模 塊編 程 與 調(diào) 試 接 口 圖 22 監(jiān)測(cè)終端架構(gòu) 控制層設(shè)計(jì) 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制中心，負(fù)責(zé) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成，網(wǎng)絡(luò) ID的選擇與防沖突，信道的選擇等功能，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還可以通過發(fā)送指令對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) 8 進(jìn)行收集。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)普通的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊和 USB轉(zhuǎn)串口的擴(kuò)展板構(gòu)成，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，通過 UART口將信息輸送出來，然后通過電平轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)傳送給 PC機(jī)進(jìn)行處理監(jiān)控?？刂茖釉O(shè)計(jì)架構(gòu)如圖 23所示。 C C 2 5 3 0 微 控 制 器編 程 與 調(diào)試 接 口電 源 管 理 （ 由P C 提 供 ）復(fù) 位 電 路無 線 通 信 模 塊 圖 23控制層設(shè)計(jì)架構(gòu) 管理層設(shè)計(jì) 通過 RS232協(xié)議把協(xié)調(diào)器處理好的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，通過上位機(jī)對(duì)各電力設(shè)備的溫度信息進(jìn)行監(jiān)管，串口顯示各電力設(shè)備的溫度信息，然后設(shè)置函數(shù)圖像來顯示各電力設(shè)備的溫度信息得到直觀溫度變化信息。同時(shí)當(dāng)溫度超過設(shè)置的溫度上限時(shí)進(jìn)行報(bào)警來提示工作人員。 管理層設(shè)計(jì)如圖 24所示 。 9 P C 機(jī)串 口 顯 示 函 數(shù) 圖 像串 口 通 信模 塊監(jiān) 測(cè) 報(bào) 警歷 史 儲(chǔ) 存 圖 24 管理層設(shè)計(jì)架構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù) 傳到協(xié)調(diào)器，采用的是基于 ZigBee技術(shù)的 CC2530低功耗芯片，并將采集時(shí)間間隔適當(dāng)調(diào)大，這樣不但滿足數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性要求，而且還節(jié)省由于溫度數(shù)據(jù)采集所帶來的電能損耗?；?ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作頻段在，這個(gè)頻段和電力設(shè)備產(chǎn)生的干擾的頻率相差甚遠(yuǎn)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率很低，而且采取了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，這種方式應(yīng)用在電力設(shè)備內(nèi)部溫度監(jiān)控工程項(xiàng)目中是最理想不過了。 ZigBee無線通信技術(shù)是數(shù)據(jù)率低、成本低、功耗低的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 在我們所接觸的環(huán)境里。 ZigBee技術(shù)是低速率無線局域網(wǎng)（ LRWPAN）的代表，ZigBee。 協(xié)調(diào)器到上位機(jī)的通信 協(xié)調(diào)器經(jīng)過 RS232串口傳輸數(shù)據(jù)資料到 PC機(jī)上顯示并存儲(chǔ)，隨時(shí)可以使用。 RS232C 是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA（ Electronic Industry Association） 制作的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS 的含義是“推薦標(biāo)準(zhǔn)”， 232是標(biāo)識(shí)號(hào)， C代表修改次數(shù)。 RS232C總線規(guī)范情況下共有 25 條信號(hào)線，其中含有一條主通道和一條輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就 可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。 10 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、9600、 19200、 38400 波特。 本章小結(jié) 本章主要描述了礦用電力設(shè)備內(nèi)部接線處溫度監(jiān)測(cè)，使用并詳解了基于 ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)的基本通信概括。分析詳解了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)層次，依次介紹了現(xiàn)場(chǎng)層，控制層，管理層。最后講解了三個(gè)層次之間的通信技術(shù)。 11 第三章 礦用電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體硬件架構(gòu) 因?yàn)?CC2530內(nèi)部擁有許多必要電路，所以它的外圍所需很少的電路便能夠?qū)崿F(xiàn)其基本功能?；?CC2530 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路包含了 CC2530 主芯片、電源轉(zhuǎn)變模塊電路、濾波模塊電路、外接模塊電路、天線模塊電路、仿真跳線模塊電路、晶振模塊電路、 LED模塊電路、復(fù)位電路、 PC 串口模塊電路以及 P P2 接口。 系統(tǒng)整體硬件圖如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)