基于无线传感网络的温度监测节点设计.pdf

第 7期 2 0 1 1年 7月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n NO ． 7 J u1 ．2 O 1 1 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 7 --0 0 8 9 0 4 基于无线传感网络的温度监测节点设计 温 阳东 ， 张玉凤 ， 朱敏 合肥工业大学电气与 自动化工程学院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9 摘 要 介 绍 了基 于无 线传 感 网络 的 高压 电 气设 备 温度 实时监 测 系统 中温 度监测 节 点的软 、 硬件 设计 。该 节点 由微 处理 器 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 、 温度 传 感 器 D S 1 8 B 2 0和 无线 收发 控 制 器 n RF 2 4 L 0 1构 成 。在 温度 监 测过 程 中， 温度传 感 器定 时采 集温度 ， 温度信 号 经微 处理 器处 理后 ， 节点 通过 无 线收 发控 制 器将得 到 的 实际 温度 值 发送 给基 站 。该 节点 实现 了对 高压 电 气设 备 温度 的 实时监 测功 能 ， 满足 了测温 节点低 功耗 的设 计要 求 ， 提 高了高压电气设备运行的稳定性和监测 系统的可靠性。 关键 词 无 线传 感 网络 ；温度 监 测 ；无 线通信 ；高压 电 气设 备 中图分类号 T D7 6 ／ 6 5 5 ． 3 文献标识码 B De s i g n o f Te mp e r a t u r e M o n i t o r i n g No d e Ba s e d o n W i r e l e s s Se ns o r Ne t wo r k W EN Ya ng d on g， ZH AN G Yu f e ng， ZH U M i n S c h oo l o f El e c t r i c a l Eng i n e e r i n g a nd Au t o m a t i o n of H e f e i Uni v e r s i t y o f Te c hn ol o g y，H e f e i 2 3 0 00 9，Ch i na Ab s t r a c t A de s i g n s c he me o f t e mpe r a t u r e mon i t o r i ng no de of r e a l t i m e t e mpe r a t ur e m o ni t or i n g s ys t e m f o r h i g h v o l t a g e e l e c t r i c a l e q u i p me n t s b a s e d o n wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k wa s i n t r o d u c e d． Th e n o d e i s c o ns i s t e d o f m i c r op r oc e s s o r M SP4 3 0F2 01 2， t e mpe r a t u r e s e n s o r DS1 8 B2 0 a n d wi r e l e s s t r a ns c e i ve r c o nt r o l l e r nRF2 4 L0 1．I n pr o c e s s of t e mp e r a t u r e mon i t o r i ng， t he t e mpe r a t ur e s e n s o r c o l l e c t s t e mpe r a t ur e d a t a r e gu l a r l y a n d s e n ds t he d a t a t o t h e mi c r o pr o c e s s O r f o r p r oc e s s i ng， t h e n t h e n od e s e nd s r e a l t i m e t e mpe r a t ur e da t a t o b a s e s t a t i o n t hr ou gh t he wi r e l e s s t r a n s c e i v e r c on t r ol l e r．The n od e a c hi e ve s r e a l t i m e mo ni t or i n g o f hi gh v ol t a ge e l e c t r i c a l e q ui pme nt ， s a t i s f i e s t h e de ma nd o n l o w po we r c o ns u mpt i on， a nd i m p r ov e s s t a b i l i t y o f t he e q u i pme nt s a nd r e l i a bi l i t y of t h e m o n i t o r i ng s ys t e m ． Ke y wo r ds wi r e l e s s s e n s o r ne t wor k，t e m p e r a t u r e m o ni t or i ng，wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n，hi gh v ol t a ge e l e c t r i c a l e q ui p m e nt 0 引言 随着计算机与通信技术 的广泛应用， 现代电力 系统逐 渐 向着高 压 、 大机 组 、 大容 量 的方 向发 展 ， 电 气设备的安全运行问题成为影响电力系统稳定运行 的因素之一 。电气设备的安全隐患主要是由于电气 节 点长 期工 作或 绝 缘 老 化 ， 使 得 节 点 温度 升 高 从 而 引发火灾口 ] 。电力系统中节点的热量与电流的平方 和时间成正 比， 设备运行过程中温度 的升高是个缓 收稿 日期 2 0 1 1 一O 3 2 3 作者简介 温阳东 1 9 5 5 一 ， 男 ， 安徽 合肥人 ， 教授 ， 研 究方 向为 自动控制、 计算机控制 、 现场总线技术应用、 嵌 入式系统、 电力系统监 控与继电保护。E ma i l z h y f 1 2 2 4 1 2 6 ． e o m 慢的过程 。因此， 对 电气设备 的温度进行实时监测， 并结合温度变化量的特点和具体监测对象的特征进 行综合分析 和诊 断， 可 以将事 故 隐患消 除在 萌芽 状态 。 传统 的有线监测方式布线复杂 ， 大量缆线暴露 在工作环境中， 并且需要大量人力敷设 ， 已经不能满 足 目前社会 的需求 。本文提出一种在温度监测系统 中利用无线传感 网络构造 温度 监测节点 的解决 方 案 ， 为实时监测高压 电气设备的温度 和预防设备过 热提供了有益的帮助 。 I 高压电气设备温度监测系统 高压电气设备温度监测系统采用分层 、 分布、 分 9 O 工矿 自动化 2 O 1 1年 7月 散的思想进行设计 。该系统由测温节点和测温基 站两部 分组成 ， 采 用星 型 网络结构 ， 其 中一个 基站 最 多可带 3 2 个节点。基站和节点之间采用无线通信 ， 节点 之 间相 互无 通 信 功能 ， 多个 基 站 通 过 以太 网连 接到 上位机 。系 统 网络模 型如 图 l 所 示 。 上 位 机 ／ 一 ’i 、 、 ／ 一 一 毒 、 、、 8占⋯ 8 ⋯ 吕 ⋯ 8 ⋯“ ＆＆． - 8 ⋯若＆” 占 、 、 8 ⋯ 8 ／ 、 、 、 、 出 ＆ ⋯ 8 ＆ 粤 一 ～⋯一 。 - __ ⋯一 图 l 电气 设 备 温 度 监 测 系 统 网络 模 型 测温 节 点 用 于 对 电气 设 备 的温 度 进 行 实 时 监 测 ， 定时扫描电气设备 的温度并定 时向基站发送温 度数据 ， 当温度 超过 某 一 设 定 值时 立 即 向 基站 发 送 预警信息 。测温基站主要负责接收和处理测温节点 传送的数据， 并在接收到预警信息时及时 向上位机 发 出警报 。另外 ， 通 过 基 站 还 可 以 随时 查 看 节点 的 温度 数据 。 2测温 节点设 计 2 ． 1 总体结 构及 工作原 理 测温节点主要由传感器模块 、 微处理器模块 、 无 线收发控制模块及 电源模块 4个部分构成 ， 如 图 2 所示 。 传感器 l l 微处理器l l 无线收发 模 块 l 模 块E I 控 制 模 块 D S I 8 B 2 0 l l MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 l I n R F 2 4 L 0 1 电源模块 图 2测 温 节 点 总 体 结 构 测 温 节 点 采 用 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2作 为 主 控 制 器 。 温 度 传 感 器DS 1 8 B 2 0 定 时 采 集 温 度 ，经 由 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2的 P 1 ． 0口传送给 MS P 4 3 0 F 2 O 1 2进 行数据处理， 得到实际温度值 。MS P 4 3 0 F 2 0 1 2判断 该温度值是否超过设定 阈值， 如果超过则立 即通过 收发控制模块 的 n R F 2 4 L 0 1发送预警信 号给基站 ； 如 果 没 有 超 过 设 定 阈 值 ，则 将 温 度 保 存 在 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 内 部 存 储 器 内，再 定 时 控 制 n R F 2 4 I 0 1将温度值发给基站， 即当温度过高时可 实现及时预警的功能 ， 当温度在安全范 围内时 ， 定时 将温度传送给基站。为 了使系统的实时性更好 ， 基 站可主动查询温度， 当基站给节点下发查询命令时， 节点立即上传设备的实时温度。 2 ． 2 硬 件 设 计 2 ． 2 ． 1 器件 选型 测 温节 点 一 般安 置 在 高压 电气 设 备 ， 点 电 池 的更换 比较 麻烦 ， 因此 ， 要求 电池 至少要 连续 L 作 2 a以上 ， 所 以节 点 的省 电 模式 设 计 极 为 重要 ， 设计 中主要考虑低能耗的要求。 1 传感 器模 块 采 用 D S 1 8 B 2 0作 为 温 度 传感 器 。D S 1 8 B 2 0足 美国 D AL L AS公司生产 的可组网数 字温度传感 器 芯片， 它能够直接读取被测物体的温度 ， 并转换 为数 字信号输出。该芯片具备独特的单线接 口方式 ， 仪 需 1 条 口线即可实现与微处理器的双向通信 。现场 温度 直接 以一线 总 线 的数 字 方 式传 输 ， 减少 了信 号 的损耗 ， 大大地提高了节点的抗干扰能力， 适用f恶 劣环 境 的 现 场 温 度 测 量 。D S 1 8 B 2 0测 温 范 围 为 一 5 5 ～ 1 2 5。 C， 在 一 1 O ～ 8 5 C时 测 温 精 度 为 0 ． 5。 C。 每个 D S 1 8 B 2 0在 出厂 时都 已 具有 惟 一的 6 4位序列号 ， 因此 ， 一条 总线上可 以同时挂接多个 DS1 8 B2 0 [ 3 ] 。在 功 耗 方 面 ，由 于D S 1 8 B 2 0 采 f 1 】 C M S技 术 ， 耗 电 量 很 小 ， 从 总 线 【 “ 窃 取 ” 一 点 电 保 存 到 DS 1 8 B 2 0内 的电容 中就 可供 给器 件 作 ， 且 其在待机时功耗近似为零。 2 微 处 理器模 块 T I 公 司 生产 的 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2是一种 超低 功耗 的 1 6位单 片机 。它采 用 R I S C 内核 结 构 ， 特 别适 合 于电池供电的场合 ， 能够在 电压为 1 ． 8 ～3 ． 6 V、 频 率为 1 MHz 的条件 下运 行 ， 且具 有 5种 省 电模 式 。 另外 ， MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 还 集成 _r n RF 2 4 I 0 1所需 要 的 S P I 串行通 信模 块 ， 并 且支 持 独特 的 S B W 接 f 1 即 两线 J TAG接 口 ， 使 得 后期 的 软 件 调 试 L作 虹J J l1 方便 。 3 无线 收发 控制模 块 无 线 收 发 控 制 模 块 中 的 通 信 控 制 器 选 用 n R F 2 4 I 0 1 。它是 一款 工 作 于 2 ． 4 ～ 2 ． 5 GHz I S M 频段的单片无线收发器芯片 ， 内置频率合成器 、 功率 放大器 、 晶体振荡器、 调制解调器等功能模块 ， 并融 合了增强型 S h o c k B u r s t 技术； 其输出功率 、 通信频 道 和协议 可通 过 S P I 接 口直 接设 置 。该 片能耗 常低 ， 以一5 d B m 的功率 发射 时 ， 其 工作 电流 只有 1 0 ． 5 mA， 接 收时工 作 电流只有 1 8 mA。n RF 2 4 L 0 1 工作模式有发射模式、 接收模式、 空闲模式和掉电模 2 0 1 1年第 7 期 温阳东等 基 于无线传感 网络的温度监测节点设计 9 1 式 ， 如表 1 嘲 所 示 。工 作 模 式 由 P W R UP、 P R I M R X和 C E决定 ， 并可通过配置寄存器切换。多种工 作模式使得 n R F 2 4 L 0 1 节能设计更方便 。 表 1 n R F 2 4 L 0 1的工作模 式 4 电源模块 电源 模块 为传 感 器 、 处 理 器 及 无 线 收 发 控制 模 块 提 供运 行所 需要 的能 量 ， 并 对其 进 行管理 ， 以达到 最大的使用效率[ 6 ] 。由于节点电池更换 比较麻烦 ， 因此这里采用高性能干电池作为电源 。 2 ． 2 ． 2硬 件 连 接 n RF 2 4 L O 1和 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 的 连 接 如 图 3 所示 。 图 3 n RF2 4 I 0 1与 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2的连 接 S C N、 S C K、 MI S O和 MOS I四个 引脚 构成 标 准 的 4 线 S P I 接 口。MS P 4 3 0 F 2 0 1 2通 过 S P I 接 口与 n R F 2 4 L 0 1 进 行 数 据 交 换 。MS P 4 3 0 F 2 0 1 2工 作 在 主机模式 ， 它是数据传送的控制方 ； n R F 2 4 L 0 1工作 在从机模式 ， 它是数据 传送 的受控 方。初始化 时， MS P 4 3 0 F 2 0 1 2通 过 S P I 接 口配 置 n R F 2 4 L 0 1的 工 作参数 ； 在发射和接收模式下 ， MS P 4 3 0 F 2 0 1 2通过 S P I 接 口传输要发送或者接收的数据。 C E为片选信号 ， I R Q 为中断请 求信号。在 数 据收发过程 中， 当 n R F 2 4 L 0 1的中断源被置高 时， I R Q 引脚 就 会 被 置低 ， 通 知 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2收 发 的 状态 。中断 源 TX D S为 发 送成 功 标 志位 ， RX DR 为 接收成 功 标 志位 ， MAX RT 为 自动 重 发 超 上 限 标志位。 2 ． 3 软 件设 计 传感器模块的软件主要负责完成现场温度的采 集任务 ， 并通过无线收发控制模块传送采集到的数 据包 。软件设计的原则是降低 能耗 ， 使节点大部分 时间都工作在低功耗状态。节点主程序包括系统初 始化 、 温度读取 和收发 控制 3个 部分， 流程如 图 4 所示 。 一 I 进 入 低 功 耗 状 态I ≤ 囱 冬≥ 豳 图 4主 程 序 流 程 2 ． 3 ． 1 系统初 始化 主程 序 首先 完成 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 、 D S 1 8 B 2 0及 n RF 2 4 L 0 1的初始化， 然后进入低功耗的中断等待 状态 。 2 ． 3 ． 2 温度读 取 由于 D S 1 8 B 2 0是单线式连接的， 微处理器对它 的任何操作都必须 由初始化开始 ， 且需要进行严格 的时序控制。一次完整的操作有 3个过程 初始化 操作、 读操作 、 写操作 。对 DS 1 8 B 2 0即为初始化操 作、 ROM 操作 、 RAM 操作 。以下 为 D S 1 8 B 2 0初始 化过程 1 由 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2 将 数据 线 置高 电平 “ 1 ” ； 2 延时 该时间要求不是很严格 ， 但是应尽可 能短一点 ； 3 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2将数据线拉到低电平“ 0 ” ； 4 延 时 7 5 0 s 该延 时 范围是 4 8 0 9 6 0 s ； 5 MS P 4 3 0 F 2 0 1 2将数据线拉到高电平“ 1 ” ； 6 延 时等待 ， MS P 4 3 0 F 2 0 1 2释放数 据线， 进 人等待模式 。 9 2 工矿 自动化 2 O l 1年 7月 如 果 初 始 化 成 功 ， 则 在 1 5～ 6 0 ms之 内 由 DS 1 8 B 2 0 返 回一个低 电平 “ 0 ” ； 当 MS P 4 3 O F 2 0 1 2检 测到该低电平信号时， 认为初始化成功， 可进行后续 操作 。此处需注意不能无 限地等待 ， 否则会使程序 进入死 循环 ， 所 以要 进行 超 时 控 制 。在 本设 计 里 设 置等待时间为 4 8 0 ms ， 如果超时则认 为初始化不 成功 。 通过 DS 1 8 B 2 0读 取 温 度 的 程 序 流 程 如 图 5 所示 。 开始 初始化 DS1 8 B2 0 延时 1 S 初始化 D S 1 8 B 2 0 N 国 ● Y t 图 5温 度 读 取 流 程 2 ． 3 ． 3 收 发 控 制 n R F 2 4 L 0 1 数 据 传 输 有S h o c k B u r s t 和 E n h a n c e d S h o c k B u r s t 两 种 模 式 l_ 7 ] 。两 种 收 发 模 式 的 区别 是 E n h a n c e d S h o c k B u r s t模 式 比S h o c k B u r s t 模式多一个数据传送确认 信号 ， 保证 了数据 传 输 的可 靠 性 。在 E n h a n c e d S h o c k B u r s t 模 式 下 ， n R F 2 4 L 0 1启 动时 间短 ， 空 中传输 速 度 快 ， 极大 地 降 低 了电流消 耗 ] 。发射数 据 时 ， MS P 4 3 0 F 2 0 1 2首 先 配置 n RF 2 4 L 0 1相关寄存器 ， 使其工作在发射模式。 发 射模 式 的初始 化配 置过程 1 写 T x节 点 的地址 T X AD DR； 2 写 R x节 点 的地址 RX AD DR P 0 主要 是 为 了使 能 AUTO AC K ； 3 使 能 AUTO AC K E N AA； 4 使 能 P I P E 0 E N R X ADD R； 5 配置 自动 重发次 数 S E TUP R E TR； 6 选择通信频率 R F - C H； 7 配置发射参数 R F ～ S E TUP 低噪放大器增 益 、 发射功率、 无线速率 ； 8 选择通道 0的有效数据宽度 R x P w P 0 ； 9 配置 n R F 2 4 L 0 1 的基本参数 以及切换工作 模式 C ONF I G。 MS P 4 3 O F 2 O 1 2将数据按照时序 由 S P I口写入 n RF 2 4 L 0 1缓存 区， 然后将 C E置为高电平 ， 并延时 一 段时间后发射数据 。n R F 2 4 L 0 1在发射数据后立 即进 入 接收模 式 ， 等 待 返 回的应 答 信 号 。如 果 收 到 应答， 则认为此次通信成功， 将 T X D S置高， 同时 将 TX P L D从发送堆栈 中清除； 若未收到应答 ， 说 明发送失败 ， 记录下发送失败的次数 ， 并 自动重新发 射该数据口 。重新发送等待时间为 3 0 0 F s ， 本设计 中设 置初 始重新 发送 次数 为 3次 ， 速度 为 2 Mb i t ／ s ， 输 出功 率 为 0 d B m。 3 结语 设计 了基于无线传感网络的高压电气设备温度 监测节点 。该 节点采用高度集成 的无 线收发器件 n RF 2 4 L 0 1 ， 大 大简 化 了节 点 的 硬件 和软 件 设 计 ， 减 小 了节 点体 积 。该节 点实 现 了对 电气 设备 温度 的实 时监测， 当设备温度超过设定值时 ， 能主动向基站发 出警报， 提高了电气设备运行的稳定性和监测系统 的可靠性 ， 为预防火灾等意外事件的发生提供了有 益 的帮助 。 参 考 文 献 张建华 ， 王贻平 ， 郭守贤． 高压 电气 没备绝缘在线监 测 系统现场校验技 术研究 [ J ] ． 华东 电力 ， 2 0 0 9 ， 3 7 9 6 8 7 2． 卢瑛 ， 吴 国忠． 智 能型高压 电气 没备温度监 测预警 系 统E J ] ． 中国电力 ， 2 o 1 O ， 4 3 3 5 5 - 5 8 ． 黄灿胜 ， 黄婷 ． 基于 D S 1 8 B 2 0数字温度 计温度 补偿 和 测量系 统 设 计 [ J ] ． 广 西 民族 师 范学 院学 报 ， 2 O l o ， 2 7 3 3 7 3 9． 沈建华 ， 杨艳琴． MS P 4 3 0系列 1 6位 超低功耗 单片机 原理与实 践[ M] ． 北 京 北 京航 空 航 天大 学 出版 社 ， 2 008 ． 陈新兴 ， 林 其伟 ， 高银． 基 于 n R F 2 4 I 0 1 无线 巷道 离层 仪 没 t - 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