Zigbee通信技術(shù)在配電線路安全監(jiān)測中的應(yīng)用
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1 Zigbee技術(shù)
在配電線路安全監(jiān)測系統(tǒng)中，由于電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重、監(jiān)測點多、布線復(fù)雜等原因，建立一個可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是配電線路安全監(jiān)測所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為近年來研究熱點之一，基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)相繼問世。其中Zigbee短距離無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、設(shè)備成本低、組網(wǎng)簡易靈活、電池使用壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中呈現(xiàn)出深厚的發(fā)展?jié)摿?。Zigbee技術(shù)在配電線路安全監(jiān)測中也有著廣泛的應(yīng)用前景。
Zigbee具有低耗電、低成本、雙向傳輸、感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能等特點，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。IEEE將Zigbee接納為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。
Zigbee技術(shù)[2-3]的主要特點如下：
(1)低功耗。在低耗電待機模式下,2節(jié)5號干電池可支持一個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢；
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議,降低了對通信控制器的要求,按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32 KB代碼,子功能節(jié)點只需4 KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，Zigbee通信模塊的價格預(yù)計能降到1.5～2.5美元；
(3)低速率。Zigbee工作在20 kb/s～250 kb/s的較低速率,分別提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；
(4)近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1 km～3 km(相鄰節(jié)點間的距離)。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)；
(5)短時延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進一步節(jié)省了電能；
(6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以支持31個傳感器和受控設(shè)備，每一個傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式，可以采集并傳輸數(shù)字量和模擬量；
(7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式：無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性；
(8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
2 Zigbee在配電線路安全監(jiān)測中的應(yīng)用
目前，國外對于變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測主要采用有線與無線相結(jié)合的方法，其優(yōu)點是測量準(zhǔn)確、實時性好、能夠?qū)φ麄€檢測面進行檢測，但是需要大量的現(xiàn)場布線、設(shè)置電源等，對于某些現(xiàn)場條件不具備的場合（如不允許布線、供電不便等），其應(yīng)用范圍受到了極大的限制；對于傳統(tǒng)的無線應(yīng)用，由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，需要在各種通信協(xié)議之間進行大量轉(zhuǎn)換工作，限制了設(shè)備的有效應(yīng)用，且需大量的維護人員和成本。在國內(nèi)，大多數(shù)變電站延用有線傳感監(jiān)測方式，少數(shù)變電站采用部分無線傳感技術(shù)，但通信協(xié)議不統(tǒng)一，也沒有有效的集成，監(jiān)控參數(shù)少，測量范圍窄，甚至需工作人員將儀器帶到現(xiàn)場才能對相關(guān)參數(shù)進行測量，增加了工作人員的勞動強度?？傊?，目前變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測都離不開有線的束縛和工作人員定期的現(xiàn)場巡查、維護，還沒有實現(xiàn)真正意義上的自動化，人為因素影響嚴(yán)重，不利于異常情況的及時發(fā)現(xiàn)與處理。
針對目前國內(nèi)外變電站配電參數(shù)監(jiān)測的缺點，現(xiàn)提出一種將無線無源溫度傳感器裝置應(yīng)用于配電線路的方案。
該裝置既無需外供電源，也無內(nèi)置電池，以太陽能為能源，以雙電層超級電容器為儲能裝置，通過超低功耗無線微處理器結(jié)合微功耗傳感器實現(xiàn)參數(shù)檢測和信號無線傳輸。該裝置可在各種復(fù)雜電磁干擾、強電場、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。
該裝置設(shè)有太陽能發(fā)電裝置、電能存儲裝置、數(shù)據(jù)采集傳送裝置，如圖1所示。圖中器件的型號與參數(shù)分別為：太陽能電池板―300 mA 3 V；超級電容―30 F 2.5 V的雙電層電容器；負(fù)載―帶溫度檢測傳感器TC77的無線單片機CC2430[4]。
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