基于Zigbee的电力设备红外测温系统

摘 要：针对目前电力设备温度检测中普遍依赖人工采用红外成像仪、红外测温仪等仪器进行巡检存在的问题，结合红外测温探头和Zigbee无线网络通讯技术，研制了一种基于Zigbee的电力设备红外测温系统，该系统主要由测温装置和应用网关构成。详细介绍了系统的结构和原理，测温装置及应用网关的硬件和系统软件的实现。

关键词：红外测温；无线通讯；电力设备；应用网关

引言

电力设备的有效的监测和检测直接关系到电力系统的安全和效益，变电站中无论哪种设备出现不正常工作状态若不及时处理很可能会发展成故障，甚至造成设备损坏或人身事故，而造成不可估量的后果。对设备进行有效的监测和检测，可使设备维修费减少25%～50%，设备事故率减少75%，经济效益十分显著。

红外检测技术能够以远距离、非接触、实时、快速在线监测方式获取设备的运行状态信息，具有分辨率高、形象直观、不受电磁干扰、安全可靠和效益/投资比高等优点，可以在不停电、不取样、不解体的状况下进行故障的诊断分析，因此，红外诊断技术在电力系统得到了较广泛应用。目前国内外大多使用红外热成像仪进行定期的巡检，不能达到实时全面动态检测，由于红外热成像仪大多体积较大，巡检过程需工作人员携带仪器进入现场，增加了工人劳动强度。并且价格非常昂贵，大型变电站方可配备，对于绝大多数的小型变电站，或无人值守变电站则发挥不了应有的作用，本文提出一种基于Zigbee的电力设备红外测温系统，既可以避免红外成像仪成本高，难以广泛使用等问题，又可以充分发挥计算机技术的优势，完成一些人工检测难以完成的任务，从而有利于提高监测实时性，可实现变电站的无人值守，同时也为状态检修提供了数据参考。

1 系统结构及原理

基于Zigbee的电力设备红外测温系统主要由红外测温传感器和应用网关组成，系统结构如图1中虚线框部分所示。红外测温传感器基于性价比较高的红外测温技术，红外测温传感器与应用网关之间通过基于Zigbee的无线传感器网络进行通讯，应用网关对外提供网络接口，通过以太网实现与其他终端设备的通讯。应用网关作为红外测温传感器与电力系统其他终端的桥梁，一方面实现温度数据的采集、转化和管理；另一方面实现与其他终端设备的通讯接口与数据交换。电力系统中的其他终端设备可通过应用网关实现对红外测温传感器的透明访问。

图1 系统结构图

2 红外测温传感器硬件设计

红外测温传感器主要由光学镜头、传感器芯片、信号处理电路、AD转换电路、单片机MC9S12XS128、温湿度测量电路以及Zigbee接口电路组成，结构如图2所示。红外测温传感器芯片将物体发出的红外光转换为电压信号；信号处理电路对红外测温传感器芯片的输出信号进行滤波放大；AD转换电路将信号处理电路输出的模拟电压信号转换为数字信号；单片机对AD转换电路输出的数字信号进行处理和存储，并实现对Zigbee接口电路的控制；Zigbee接口电路实现与应用网关的通讯连接；温度湿度测量电路用于对环境温度和湿度的测量，有利于用户对设备运行状态的准确判断。

图2 红外测温传感器结构图

2.1 红外测温传感器芯片和信号处理电路

红外测温电路由红外测温传感器芯片和信号处理电路构成，红外测温传感器芯片选用德国HL-Planartechnik公司生产的TS118-3。TS118-3通过其热端的吸收区把引入的红外线转换电压成输出。由于TS118-3输出信号很微弱，为达到使用要求，本系统采用运算放大器AD8554进行信号放大。红外测温电路如图3所示。

图3 红外测温电路

2.2 温度湿度测量电路

图4 SHT75与MC9S12XS128的电路连接图

2.3 信号处理电路

测温信号处理电路由一个二阶有源低通滤波器和一个同相放大器组成，滤波器和放大器基于双运算放大器芯片OP292，如图5所示。信号处理电路接收电磁信号检测电路的检波输出，进行滤波放大后输出到单片机MC9S12XS128的AD输入端。

图5 信号处理电路

3 应用网关硬件设计

应用网关主要由Zigbee接口电路、嵌入式系统模块、以太网接口电路组成，结构如图6所示。其中，Zigbee接口电路实现与红外测温传感器的通讯连接；以太网接口电路实现与电力系统其他终端的连接；嵌入式系统模块是应用网关的核心，用于对红外测温数据的获取、处理和管理，以及为其他终端的访问提供数据服务。

图6 应用网关结构图

Zigbee芯片采用TI公司的CC2530芯片。CC2530芯片在单个芯片上整合了Zigbee射频（RF）前端、内存和微控制器，其具有不同的运行模式，适应超低功耗要求的系统。本系统根据CC2530典型电路设计的通信模块电路原理图如图7所示。

图7 CC2530通信模块电路原理图

4 系统软件设计

红外测温系统的软件包括红外测温传感器软件、应用网关软件和后台测试软件三部分。系统软件结构如图8所示。红外测温传感器软件通过传感器节点Zigbee通讯接口获取后台测试软件通过应用网关的下传的指令，然后由指令处理程序对指令进行解析，根据指令控制进行红外测温。并将测温数据通过传感器节点Zigbee通讯接口，由应用网关转发给后台测试软件；应用网关软件通过以太网通讯接口接收后台测试软件下传的指令，并将指令通过协调器Zigbee通讯接口转发给对应的红外测温传感器。同时，接收红外测温传感器上传的红外测温数据，并通过以太网通讯接口转发给后台测试软件；后台测试软件提供人机接口界面，实现用户对红外测温传感器的控制，通过以太网通讯接口传送用户指令或接收红外测温数据，红外测温数据的显示。

图8 系统软件结构图

5 结束语

本文提出一种基于Zigbee的电力设备红外测温系统，该系统主要由红外测温传感器和应用网关组成，传感器基于性价比较高的红外测温技术，因此成本可以大大降低，适用于中小型变电站和大量的无人值守变电站。而无线通讯技术的使用，可实现通过计算机互联网对红外测温传感器的自动识别和信息的互联与共享。因此本系统能够实现对电力设备进行实时网络化安全监测，能够实现热故障状态检测和诊断、设备检测和监控等方面功能，将大大提高变电站运行安全性、可靠性，并降低工人的劳动强度。

参考文献

[1]赵荣昌.红外诊断技术的原理及其在电厂的应用[J].燃气轮机技术，2006.

[2]黄雅罗，黄树红.发电设备状态检修[J].中国电力出版社，2000.

[3]李峥.电力变压器过热故障综合诊断技术研究[D].南京：河海大学，2005.

[4]陈衡，侯善敬.电力设备红外诊断[M].北京：中国电力出版社，1998.

[5]赵振兵，高强，苑津莎，邱巍巍，仝卫国.一种变电站电气设备温度在线监测新方法[J].高电压技术，2008.

[6]高强，徐芳芳.红外点温仪检测输电线路导线连接器[J].高电压技术，2002.

[7]周秀英.远红外测温仪在变电所的应用[J].煤，2008.

[8]邓小强.电力设备故障红外诊断技术应用中的一些注意事项[J].广东输电与变电技术，2007.

[9]孙志远，李清安，乔彦峰，朱玮.提高红外测温系统测温精度的研究[J].仪器仪表学报，2006.

作者简介：袁辉建（1977-），男，重庆九龙坡，硕士研究生，讲师，主研方向为基于嵌入式系统的电力系统数据采集实时研究。