【正文】 Zigbee 技術(shù) ：需要 無(wú)線 通信 交換信 息的 裝置 ； 傳輸 距離較 短 、傳輸 的 數(shù)據(jù) 量 較小 、 傳輸 的 速率 要求 不 高 ； 設(shè) 備沒(méi) 有 充足 的 電力 支 持， 只能使 用 電池 供 電， 且 要維 持 較長(zhǎng) 的時(shí) 間 ；設(shè) 備 要求 的 成本 較 低， 盡 可能 地降低成 本；需要 多個(gè) 設(shè)備組 成無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)，主要 是進(jìn)行 監(jiān)測(cè) 和控制 的場(chǎng) 合 [15]。 但是 移動(dòng) 通信 技術(shù) 的高 成本 、低 速率 限制 了它 某些場(chǎng)合 的應(yīng)用 。WiFi技術(shù)適合移動(dòng)辦公用戶的應(yīng)用，具有廣闊市場(chǎng)前景。 WiFi(Wireless Fidelity，無(wú)線高保真 )與藍(lán) 牙一樣 ，都 是短距 離的無(wú)線通信技術(shù)，它也是工作在 ISM頻段 上。 藍(lán)牙 技 術(shù)是 一 項(xiàng)即 時(shí) 技術(shù) ，它 不 要求 固 定的 基 礎(chǔ)設(shè) 施 ，易 于 安裝 和設(shè)置 。 藍(lán) 牙 技 術(shù)工 作 在 ISM(Industry Science Medical)頻段 上 ，速度 可以 達(dá)到 1Mbps。該技術(shù)工作原理簡(jiǎn)單、功耗小、成本低，主要用于電腦、手機(jī)、打印機(jī)等多種可移動(dòng)的電子設(shè)備 [14]。紅 外技 術(shù)通信 距離 最長(zhǎng)為 3m，接收 角度為 30o。 1993年，由二十多個(gè)大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) (IrDA)，統(tǒng) 一了紅外通 訊的標(biāo) 準(zhǔn) ，這 就是目 前被 廣泛使 用的 IrDA紅 外數(shù) 據(jù)通訊 協(xié)議 及規(guī)范 。 移動(dòng) 通信 技術(shù) 工作在 0． 8～ 1GHz 的頻 段上，這是 一個(gè)收 費(fèi)頻 段。隨 著無(wú)線 傳 感器 網(wǎng) 絡(luò)的 深 入研 究 和廣 泛應(yīng) 用 ，傳 感 器網(wǎng) 絡(luò) 將逐 漸 深入 到 人類 生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類生活必不可少的一部分 [13]。 觀 眾可 以 通過(guò) 無(wú) 線傳 感 器網(wǎng) 絡(luò) 直接 感 知客 觀世界 ， 從而 極 大的 擴(kuò) 展現(xiàn) 有 網(wǎng)絡(luò) 的功 能 和人 們 認(rèn)識(shí) 世 界的 能 力。其他 常用 的 一些 方式 是建立 在這 些網(wǎng)絡(luò) 的基 礎(chǔ)上的 ，比 如WIMAX 是 WiFi 的 升級(jí)版 ， WCDMA 是 GPRS 的 升級(jí) 版， ITE 和 HSDPA 是 WCDMA的升級(jí) 版， CDMA2021 是 CDMA 的 升級(jí)版 ，移動(dòng) 的 TD 網(wǎng)絡(luò) 是我國(guó) 自主 開(kāi)發(fā)的 。 波長(zhǎng) 由 小到 大分 別 為： 紅 外光 ， 微波 和 無(wú)線 電 。經(jīng)過(guò)有線電纜、光線、無(wú)線電波等技術(shù)方式來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。傳 感 器的 分 類， 但前一 般 采用 兩 種方 法 ，一 種 按被 測(cè)參 數(shù) 分類 ： 如溫 度 、壓 力 、位 移 、速 度等 ； 另 一種 按 傳感 器 的工 作 原理 分類 ： 如應(yīng) 變 式、 電 容式 、 壓電 式 、磁 電式等。⑥ 電磁式 電壓 互盛器 ， 8 測(cè)量一次勵(lì)磁電流來(lái)判斷一次繞組的好壞即是目前的實(shí)現(xiàn)方法 [1 ]。④避 雷器全 電流 及阻 性電流 分量 監(jiān)測(cè) ，阻 性電流 監(jiān)測(cè) 則是從 電 壓互 感 器取 得 電壓 信 號(hào)， 經(jīng)模 擬 氧化 鋅 閥片 電 壓中 的 容性 分 量， 并調(diào)整 大 小使 其 與容 性 電流 相 同， 與避 雷 器總 電 流一 起 輸入 差 分放 大 器， 將容 性 分 量補(bǔ) 償 掉， 從 而測(cè) 得 阻性 電流 。② 容 性設(shè) 備 的在 線 監(jiān)測(cè) ： 泄漏 電流和 電 容量 的 測(cè)量 ， 傳輸 線 則采 用雙 屏 蔽或 多 屏蔽 電 纜來(lái) 減 少電 磁 干擾 ；容性 設(shè) 備介 質(zhì) 損耗 的 測(cè)量 ， 近年 來(lái)， 在 介損 測(cè) 量的 數(shù) 據(jù)處 理 上取 得 突破 ，主要 使 用譜 波 分析 法 。部分研 究方 向如下 ：①主 變壓器 在線 監(jiān)測(cè) ：油 中溶解 氣 體分 析 ，監(jiān) 測(cè) 變壓 器 油中 特 征氣 體 量 —— 油中 溶 解氣 體 分析 (DGOA)已被 證 明對(duì) 于 發(fā)現(xiàn) 油 浸變 壓 器內(nèi) 部潛 伏 性故 障 ，特 別 是過(guò) 熱 性、 電 弧性 、絕緣 破 壞性 故 障相 當(dāng) 有效 和 可靠 。 電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)就是利用傳 感、 電子、 計(jì)算 機(jī)等技 術(shù)， 通過(guò)對(duì) 運(yùn)行中高壓設(shè)備的信號(hào)采集和傳輸、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的帶電測(cè)試或不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷。在電力設(shè)備有線監(jiān)測(cè)中，線路鋪設(shè)復(fù)雜，多重施工困難，不易面面俱到，安裝和檢修成本較高，如此多種低效率、高消耗的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在輻射范圍更廣，區(qū)域面積更大，供電質(zhì)量需求越來(lái) 越高的 現(xiàn)代 社會(huì)中 ，終將 是步 入幕后 的陳 舊技術(shù) ，在本 章暫 不討論 。第 5 章為最 終總 結(jié)。 采 集信 號(hào) 的發(fā) 送模塊與接收模塊的系統(tǒng)構(gòu)成，電路接線總圖。第 3 章講 述了 該系統(tǒng) 的設(shè) 計(jì)方案 和功 能實(shí)現(xiàn) ，主 要描述 本課 題，即 “基 于Zigbee 的 電 力設(shè)備 在線 監(jiān)測(cè) 系 統(tǒng)”，其 在系 統(tǒng)結(jié) 構(gòu)構(gòu)成，以及 硬件方 面的 理論實(shí) 現(xiàn) 。首 先 ，緒 論 中講 述 了 電 力 設(shè)備 在 線監(jiān) 測(cè) 技術(shù) 以 及 Zigbee無(wú)線傳 輸 技術(shù) 的 的研 究 背景 與 意義 ， 接著 介 紹了 電 力設(shè) 備 監(jiān)測(cè) 與 Zigbee無(wú)線傳輸?shù)膰?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。①物 理層，作用 是協(xié)議 的最 底層，承付 著和外 界直 接作用 的任 務(wù)；② MAC層 ，作 用是負(fù) 責(zé)設(shè) 備間無(wú) 線數(shù) 據(jù)鏈路的 建立 、維 護(hù)和 結(jié)束確 認(rèn)模 式的數(shù) 據(jù)傳 送和接 收 ；③ 網(wǎng)絡(luò) /安全層 ，作 第 1 章 緒 論 5 圖 11 2021年以來(lái)銷售收入及未來(lái)預(yù)期條形圖 圖 12 Zigbee 的 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率 圖 13 Zigbee的堆棧架構(gòu) 用是建 立新網(wǎng) 絡(luò)；④ 支持 /應(yīng)用 層，作 用是應(yīng) 用支 持層根 據(jù)服 務(wù)和需 求使 多應(yīng)用層 應(yīng)用支持子層 安全層 網(wǎng)絡(luò)層 MAC 層 物理層 用戶 Zigbee 聯(lián)盟 硬件實(shí)現(xiàn) 平臺(tái) 通信 堆棧 6 個(gè)器件之間進(jìn)行通信，應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開(kāi)發(fā) [11]。圖 11是近 年來(lái) 的 Zigbee芯 片組 銷售與 預(yù)期 [ 9]。于 2021 年 12 月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出 Zigbee 版 (又稱為 Zigbee2021)[8 ]。這些 廉 價(jià)的 、 低功 耗 的傳 感 器節(jié) 點(diǎn)共 同 組成 無(wú) 線傳 感 器網(wǎng) 絡(luò) ，通 過(guò) 節(jié)點(diǎn) 間的相互 協(xié)作，將其監(jiān) 測(cè)和 感應(yīng)的 多種 環(huán)境信 息 (如 溫度、濕度 等 )收 集起來(lái) ，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集功能 [7]。 而Zigbee無(wú) 線 網(wǎng)絡(luò) 的 低成 本 、短 時(shí) 延、 免 執(zhí)照 頻 段、 高 安全 、 近距 離 、低 復(fù)雜度，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是解決 電力 設(shè)備在 線監(jiān) 測(cè) 的良 好途 徑。 在電 力 設(shè)備 監(jiān) 測(cè)中 ， 現(xiàn)在 有 基 于 RFID電 子 標(biāo)簽 技 術(shù)的 電 力監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng) ，數(shù)字電 網(wǎng)電力 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng) ，智 能化 電力監(jiān) 測(cè)系 統(tǒng) ， SCADA系統(tǒng) （ 以計(jì)算 機(jī)為 基礎(chǔ)的 DCS與電 力自動(dòng) 化監(jiān) 控系統(tǒng) ），調(diào)度 平臺(tái) 系統(tǒng) (開(kāi)放式 平臺(tái) 和運(yùn)行 在該 平臺(tái)的多 個(gè)相對(duì) 獨(dú)立 的應(yīng)用 子系 統(tǒng)組 成的系 統(tǒng) )等 ，許多種 基于 各種先 進(jìn)技 術(shù)的 電 力 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 。有些電 力設(shè)備 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)采 用 DPS進(jìn)行 信號(hào) 處理，通 常需 要滿足 下列 需求：（ 1）具有實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)操作電力運(yùn)行異常的功能。 2021 年 7月 11 日 ， Zigbee 聯(lián) 盟宣布 華為 技術(shù) , 施耐 德電氣 , 意 法半導(dǎo) 體以 “ 促進(jìn)者 ” 的身份加入理事會(huì)。 目前 在 我國(guó) 傳 統(tǒng)農(nóng) 業(yè) 主要 使 用孤 立 的、 沒(méi) 有通 信 能力 的 機(jī)械 設(shè) 備和 傳感設(shè)備，主要 依靠人 力監(jiān) 測(cè)作物 的生 長(zhǎng)狀況 。 香港 騰達(dá) 數(shù)字創(chuàng) 意公 司總裁 Shen Xin 表示 ，該 公司可 以為 中國(guó)大 陸企 業(yè)提供 相關(guān) Zigbee 產(chǎn)品 從設(shè)計(jì)、零 組件 供應(yīng)到 制造 的完整 服務(wù)。 目前比較系統(tǒng)地利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例是 2021年 Intel實(shí) 驗(yàn) 室 和 大 西 洋 學(xué)院聯(lián)合進(jìn)行的大鴨島環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 [ 4]。 該 計(jì)劃 將 致力 于 微型 傳 感器 網(wǎng) 絡(luò)在 預(yù)防醫(yī)學(xué) 、環(huán)境監(jiān) 測(cè) 、森林 滅火 乃至海 底板 塊調(diào) 查、行星 探測(cè)等 領(lǐng)域 的應(yīng)用 。 自 2021年起 ， 國(guó)際 上 開(kāi)始 出 現(xiàn)了 一 些關(guān) 于 傳感 器網(wǎng)絡(luò) 研 究結(jié) 果 的報(bào) 道 。 我國(guó) 于 20世紀(jì) 90年 代 末期 開(kāi) 始無(wú) 線 傳感 器 網(wǎng)絡(luò) 的 研究 。 隨 著 電 子技 術(shù) 的 進(jìn)步 和 傳 感器 技 術(shù) 、光 纖 技 術(shù)、 計(jì) 算 機(jī)技 術(shù) 、 信息 處理技 術(shù) 等的 發(fā) 展和 向 各領(lǐng) 域 的滲 透 ， 系 統(tǒng)監(jiān) 控 技術(shù) 中 廣泛 應(yīng) 用了 這 些先 進(jìn)的科研成果 , 使在線監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段。 電力 設(shè) 備在 線 監(jiān)測(cè) ， 除外 部 換進(jìn) 監(jiān) 測(cè)外 ， 國(guó)內(nèi) 的 研究 方 向大 致 有以 下幾種 ： 主變 壓 器在 線 監(jiān)測(cè) ， 容性 設(shè)備 的 在線 監(jiān) 測(cè)， 斷 路器 和 氣體 絕 緣組 合電器 （ GIS）， 避雷 器 全電 流 及阻 性電 流 分量 監(jiān) 測(cè)， 高 壓聚 乙 烯及 交 聯(lián)聚 乙烯電 纜 在線 監(jiān) 測(cè)， 電 磁式 電 壓互 盛器 等 研究 方 向。 進(jìn)入 80年代以 來(lái)， 電力設(shè) 備在 線監(jiān)測(cè) 技術(shù) 發(fā)展很 快， 絕大多 數(shù)變 電站設(shè)備 及 發(fā)電 機(jī) 、電 纜 、線 路 絕緣 子等 都 有在 線 監(jiān)測(cè) 項(xiàng) 目。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 我國(guó) 從 50年 代 開(kāi)始 ， 幾十 年 來(lái)一 直 根據(jù) 電 力設(shè) 備 預(yù)防 性 試驗(yàn) 規(guī) 程的 規(guī)定 , 對(duì) 電力 設(shè) 備進(jìn) 行 定期 的 停電 試驗(yàn) 、 檢修 和 維護(hù) 。 盡管 Zigbee僅僅 是 一個(gè) 局 域網(wǎng) ， 覆蓋 區(qū) 域 有限 ， 但它 卻 可以 與 現(xiàn)有 的移動(dòng) 網(wǎng) 、互 聯(lián) 網(wǎng)和 其 它通 信 網(wǎng)絡(luò) 相 連接 ， 將許 多 Zigbee局 域 網(wǎng)連 成 為一 個(gè)整體 ， 具有 高 度的 靈 活性 。 的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供 250kbps的 傳 輸 速 率 ， 有 助 于獲 得 更 高 的 吞 吐 量 、更 小 的 通 信 時(shí) 延 和 更 短 的 工 作 周 期 。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，到擴(kuò) 展 后的 幾 百米 ， 甚至 幾 公里 。IEEE 定 義 了 兩 個(gè) 物 理 層 標(biāo) 準(zhǔn) ， 分 別 是 物 理 層 和 868/915GHz 物理層 。 該協(xié)議 滿足 國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn)組織 ISO 開(kāi)放系 統(tǒng)互 連 OSI 參考模 式。 Zigbee無(wú)線通信 十多 年 前， 藍(lán) 牙熱 潮 席卷 世界 ， 費(fèi) 用偏 高 、 資 金 不足 、 實(shí)際 應(yīng) 用傳 輸效果不理想，是近年來(lái)藍(lán)牙產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遇到的不可避免的問(wèn)題和阻礙 。 電力 設(shè) 備在 線 監(jiān)測(cè) 系 統(tǒng)， 實(shí) 際上 就 是實(shí) 現(xiàn) 電力 設(shè) 備的 遠(yuǎn) 程實(shí) 時(shí) 監(jiān)控 的實(shí)用 型 系統(tǒng) ， 以便 監(jiān) 測(cè)人 員 隨時(shí) 觀察 系 統(tǒng)異 常 ，及 時(shí) 作出 反 應(yīng)， 減 小或 避免由 于 系統(tǒng) 非 常態(tài) 運(yùn) 行可 能 造成 的損 失 ，提 高 系統(tǒng) 運(yùn) 行效 率 ，降 低 人力 物力，節(jié)省成本，有利于提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平?，F(xiàn) 代社會(huì) ，電力系 統(tǒng)不 斷向 高電壓 、大容量 的方 向發(fā)展 ，因此 ， 開(kāi)展 在 線監(jiān) 測(cè) 技術(shù) ， 成為 了電 力 系統(tǒng) 發(fā) 展的 需 求。 至 2021年， 我 國(guó)對(duì) 電力 設(shè) 備 的 檢 修 維 護(hù) 執(zhí) 行 的 是 以 預(yù) 防 性 試 驗(yàn) 規(guī) 程 為 基 礎(chǔ) 的 計(jì) 劃 檢 修 制 度(TBM)。 本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 了 電力設(shè)備的四種環(huán)境參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，通過(guò) Zigbee無(wú)線通信方式使得參數(shù)信號(hào)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送、接收， 工作人員 可以隨時(shí)獲取溫度、濕度以及煙霧和風(fēng)力的大小變化信息，達(dá)到電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的目的。 本系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)參數(shù)包括溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)和風(fēng)力監(jiān) 測(cè)，并將 Zigbee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備環(huán)境在線監(jiān)測(cè)過(guò)程，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)高效的被接收觀察，從而做出相應(yīng)的處理。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 (論文 ) 作 者： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院 ： 專 業(yè)： 題 目： 基于 Zigbee 的電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè) 系統(tǒng) 指導(dǎo)者： (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 評(píng)閱者： (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 2021 年 6 月 Ⅰ 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要 現(xiàn)代社會(huì)，電力系統(tǒng)不斷向高電壓、大容量的方向發(fā)展，并且社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠性指標(biāo)要求不斷在提高，同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠提供可靠的設(shè)備狀態(tài)信息。因此，開(kāi)展在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，成為了電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。系統(tǒng)硬件方面實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的采集、處理及無(wú)線傳輸，軟件方面設(shè)計(jì)了各功能模塊的系統(tǒng)流程。 關(guān)鍵詞 ： Zigbee；電力設(shè)備； 在線監(jiān)測(cè)