0 引言
在電力系統中，高電壓、大電流供電設備隨處可見，這些設備在母線承載電流過大或開關接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導致擊穿，造成惡性事故。因此及時測量高壓母線接頭和高壓開關觸點溫度，為采取有效措施提供信息，將是電力系統安全運行的重要保障。
目前，專門用于測量高壓母線接頭和高壓開關觸點溫度的方法有以下三種：
其一、在母線接頭和開關觸點的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料（如感溫臘），通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍。這種方法準確度低、可讀性差，不能進行定量和實時測量，方法原始且對員工的要求高。
其二、利用紅外測量儀，操作人員定時手持儀器對準母線接頭和高壓開關觸點進行測量。這種方法在 0℃～200℃之間的溫度值誤差小、準確度高，但是，仍然無法做到實時測量，且價格高、光學器件在高壓場合使用不便。
其三、目前的無線測溫設備。由于無線發射設備本身供電功率較大并要求高壓絕緣，用于檢測高等級電壓回路，成本很高，無法普及。
針對上述幾種方案優缺點的分析，本文在研究無線傳感器網絡節點設備的基礎上，設計了一種基于ZigBee技術的無線傳感器網絡測溫管理系統。通過采用 ZigBee組網技術，實現了對電力系統的高壓和超高壓母線、高壓開關接點溫度的實時在線檢測，并通過互聯網在監控中心實時監視運行狀態，真正做到了遠距離遙測。 1 應用方案設計
無線傳感器網絡測溫管理系統由傳感器節點（ RFD）、網絡協調器（ FFD）及監控中心組成。如圖1所示。傳感器節點（RFD）用于采集監測信息并發送給網絡協調器（FFD）；網絡協調器用于建立一個新的無線傳感器網絡，接收信息，發送控制命令；監控中心（通用計算機）通過RS-232串口實現與網絡協調器的通信。
2 ZigBee體系結構
ZigBee無線傳感器網絡是基于 IEEE 802.15.4技術標準和 ZigBee網絡協議而設計的無線數據傳輸網絡。這種網絡是中短距離、低速率無線傳感器網絡，具有射頻傳輸成本低，各節點只需要很少的能量，功耗低，適于電池長期供電，快速組網自動配置，自動恢復和高級電源管理等優點。在整個網絡范圍內，各節點之間可以進行通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，擴展到幾百米，甚至幾公里，整個 ZigBee網絡還可以與現有的其他各種網絡連接，例如可以通過互聯網來控制某地的一個ZigBee網絡。
基于IEEE 802.15.4技術標準的 ZigBee體系結構如圖2所示。ZigBee技術的物理（ PHY）層和介質訪問控制（ MAC）層協議主要采用 IEEE802.15.4標準，而 ZigBee聯盟負責網絡層和應用層的開發，以及制定其安全協議和市場推廣等【1】。介質訪問控制（ MAC）層實現了 IEEE
802.15.4規范所要求的功能，并負責同物理（ PHY）層進行交互；網絡（ NWK）層負責建立和維護網絡連接，它獨立處理傳入數據請求、關聯、解除關聯和孤立通知請求； ZigBee應用層框架包括應用支持子（APS）層、ZigBee設備對象（ ZDO）和制造商所定義的應用對象。 APS層主要提供 ZigBee端點接口，應用程序將使用該層打開或關閉一個或多個端點并且獲取或發送數據【2】。
3 傳感器節點硬件設計
無線傳感器節點的核心部件采用Chipcon公司生產的 2.4GHz射頻系統單芯片CC2430。該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內存和微控制器等【3】。其結構框圖如圖 3所示。
CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實現信號的收發功能。無線測溫傳感器電路如圖4所示：
DS1822是一種一線數字溫度計，它用一根信號線來實現互連通信，其內部電路的核心是一個直接數字輸出的溫度傳感器。它可以將 -55℃~125℃范圍內的溫度值按 9位、10位、11位、12位的分辨率進行量化，其最高分辨率為 0.625℃，工作電壓范圍為 3.0 V~5.5 V。每一片DS1822都有一個唯一的且不可改寫的 ROM ID(標識碼，即電子序列號)，在實際應用中可以通過指令方便地進行查詢【4】。CC2430通過定時采樣 DS1822的溫度值，可以降低功耗。
FFD（網絡協調器）的電路圖與 RFD（傳感器節點）的電路圖基本類似，只是在 FFD的電路圖中增加了一片RS-232接口芯片MAX3243，實現 CC2430與監控中心的通信。 4 傳感器節點軟件設計
軟件部分需要解決的問題包括：溫度及報警信息的采集；ZigBee協議棧（ Z-Stack）； ZigBee與PC機的通信等。溫度及報警信息的采集可由 CC2430芯片內部的MCU完成。ZigBee協議棧運行在一個OSAL（操作系統抽象層）操作系統上，該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度。每個任務都包含若干個事件，每個事件都對應一個事件號。
當一個RFD節點初始化完成之后，如果此時在其高頻覆蓋范圍內有一個網絡協調器處于正常工作狀態，而RFD節點又與該網絡協調器同頻時，可以調用aplJoinNetwork（）函數加入當前的網絡協調器。
首先RFD節點上電后掃描網絡中是否有網絡協調器。如果此時主機存在，主機會自動應答RFD節點，當RFD節點收到主機的3次應答信號后， RFD節點就向網絡協調器發送自己的 64位物理地址。之后網絡協調器收到 RFD節點發送上來的 64位物理地址后，根據加入的先后給RFD節點分配16位的短網絡地址。此時 RFD節點加入網絡成功。
CC2430中含有兩個串行通信接口 USART0和USART1。利用 USART0進行通信時需要對其串行通信的模式、傳輸的波特率及相關的通信協議進行定義。需要初始化的寄存器有： U0UCR（UART控制寄存器）、U0GCR（通用控制寄存器）、U0CSR（USART0控制與狀態寄存器）、U0BAUD（波特率控制寄存器）。
針對網絡協調器（路由節點）和 RFD節點，程序所用的協議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節點的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節點中【5】。限于篇幅，文中只給出了與上位機通信相關的FFD主程序：
5 監控界面設計
//CC2430初始化 //初始化協議棧 //使能中斷 //P1端口輸出模式設定
//P0.5接LED，顯示協調器的狀態
//p1_0、p1_3點亮 //格式化一個新的網絡 //等待格式化網絡完成
//起始位為低電平，停止位為高電平 //一幀數據為10位 //UART模式，接收使能 //波特率為57600bps
//應用層處理函數
//發起始字符 // UTX0IF=0時，字符發送成功 //屏蔽發送完成中斷
//節點地址
//屏蔽發送完成中斷 //發送節點溫度
//使能接收 //讀接收緩沖器的值 //y為上位機控制信息 //屏蔽接收完成中斷
監控界面使用VB6.0可視化程序設計語言開發。利用 VB6.0提供的 MSComm串行通信控件，可以方便的實現計算機與 CC2430之間的串行通信。監控中心通過 RS-232實現與 FFD的串行通信。從而實現監控中心實時監測 FFD和RFD的工作狀態，并可以對 FFD和RFD實施控制。監控中心與 FFD設定的通信協議為：波特率為 57600bps，1位起始位， 8位數據位， 1位停止位，無奇偶校驗位。為了使用 MSComm控件，需要在“部件”對話框的“控件”選項卡中選中“ Microsoft Comm Control 6.0”選項，單擊“確定”按鈕后控件將被添加到Visual Basic的工具箱中【6】。
Visual Basic6.0是面向對象的可視化程序設計語言，采用事件驅動的編程機制，對各個對象需要響應的事件分別編寫程序代碼，對每個事件過程的程序代碼來說，一般比較短小簡單，調試維護也比較容易。本控制系統上位機監控程序需要響應的事件
有：退出監控界面事件、控制設定事件、裝載事件（初始化通信口）、定時器事件、信息接收事件等。限于篇幅，本文只列出裝載事件的程序代碼及注釋。 Private Sub Form_Load( ) '裝載事件，運行監控界面時發生
實驗與結論
基于 CC2430的 ZigBee無線傳感器網絡管理系統通過在南陽某 110kV變電站進行的測試，獲得了良好的效果。測試用無線傳感器網絡管理系統的硬件部分由 6個 RFD節點、1個 FFD節點及一臺筆記本電腦組成。測試的相關數據如下： RFD與 FFD的通信距離最遠可達 180米（加長天線）， FFD與 PC通信距離可達 10米（制作的 RS-232數據線為 10米），無線傳感器網絡建立的時間小于 1秒，RFD加入網絡的時間小于 0.5秒，PC機上的監控信息刷新時間小于 1秒，達到實時監控的要求。變電站的電磁干擾對無線傳感器網絡管理系統無影響。測試的結果表明，本文所設計開發的無線傳感器網絡管理系統是成功的，具有很好的應用價值。
本文作者創新點：設計了一種無線傳感器網絡測溫管理系統，通過采用 ZigBee組網技術，實現了對電力系統的高壓和超高壓母線、高壓開關接點溫度的實時在線檢測，并通過互聯網在監控中心實時監視運行狀態，真正做到了遠距離遙測。
參考文獻
[1]夏益民，梅順良，江億.基于 ZigBee的無線傳感器網絡 [J].微計算機信息，2007（2）
[2] CC2430 2.4 GHz IEEE 802.15.4 /ZigBee-ready RF Transceiver [OL]. http://www.chipcon. com.
[3] CC2430 A True System-on-Chip solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4 /ZigBee[OL]. http://www.chipcon.com.
[4]張廣紅等 . 一線式數字溫度計 DS1822的原理及應用 [J].國外電子元器件， 2005（2）
[5] 8051 IAR Embedded Workbench Help [OL]. http://www.iar.com.
[6] 求是科技編著 .Visual Basic6.0程序設計與開發技術大全 .北京：人民郵電出版社,2004 作者簡介