ZigBee技术在无线测温系统中的应用
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ZigBee技术在无线测温系统中的应用
ZigBee技术在无线测温系统中的应用
在粮库棉库冷库温控系统、电气配电室接点温度监测系统、家庭节能恒温系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多应用系统中，为了实时地监测不同点的温度，需要多点分布式温度测量系统。传统的多点分布式温度监测系统多采用有线传输方式，然而随着节分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点，由此，无线传输技术应运而生。
典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi 虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
一、ZigBee技术简介
ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，ZigBee 是近几年刚刚兴起、并已成为当下较为流行的无线通信技术，它能有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。ZigBee具有如下显著的优点：
1、成本低：ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频，工作在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，免执照频段；
2、低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用； 3、低速率：Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求；
4、时延短：ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms；
5、网络容量大：Zigbee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
6、可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；
7、安全：Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)
的对称密码,以灵活确定其安全属性。
8、传输距离远：传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF发射功率后，亦可增
加到1～3km，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
二、基于ZigBee技术的无线测温系统
由于ZigBee技术具有上述低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。以下是一个典型的应用例子：水泥行业的电气配电室接点温度无线监测系统。
本系统由北京斯拓高科电气有限公司研制生产，主要应用于水泥、石化、电气化铁路等企业的电气配电室接点温度的实时无线监测，能及时对电气接点的异常温升提前告警，避免接点过热而导致安全生产事故和停电停产，防患于未然。
如下图所示，该系统主要由无线测温采集装置、中继器、接收装置和后台主站监控系统构成。采集装置由高能电池供电，避免高低压之间的电气连接；接收装置和采集装置采用2.4G频段的Zigbee无线组网技术；接收装置和后台监控系统通过RS485接口采用Modbus 协议进行有线连接。整个系统采用全数字的方式进行工作，因而安全可靠有效。
电气配电室接点温度无线监测系统示意图
1、采集装置
附着在被测接点处（高压母线或高压开关），使其充分接触，能准确地测量发热点实际温度。同时，接收装置远离发热点，使ZigBee无线测温终端可在高压设备发热情况下正常运行。温度采集装置采用特殊材料制成，耐高压，耐腐蚀，耐高温，阻燃性好，提高系统的可靠性，可长期工作在恶劣环境中。
(1) 温度测量范围为－40℃～125℃；
(2) 耐温（－40～250℃）阻燃材料制作的硅胶表带壳体，防水；
(3) 壳体内的热敏传感器与接点体紧密接触，可准确测量实时温度；
(4) 黄绿红三色区分A、B、C三相，便于现场区分；
(5) 电池供电，供电时间＞5年；
(6) ZigBee无线传输距离不小于200米（无障碍）；
(7) 安装便利，不需要额外附件。根据需求，采集装置可安装在以下位置：
a.变压器高、低压侧套管；
b.户外进线刀闸；
c.开关柜进线刀闸和出线刀闸；
d.电机的轴承和绕组；
e.高温排风口;
f.其它适当处。
2、接收装置
该装置主要安装在开关柜面板或单独安装于独立箱体内，采用锁扣面板式安装，无需螺丝固定。通过ZigBee无线网络，可实时显示当前温度和通过按键进行多种参数设置，每个接收装置最多可显示252个采集点温度，且可设置9个报警值。当超温报警时液晶反白显示、并提供继电器接点输出，可根据客户需求外接声光报警装置。
3、主站监控系统
主站监测软件ST4S可实现厂站内部各种智能设备与综合自动化后台系统的通讯，并完成与上级调度系统的互联。ST4S后台监控与接收装置通过RS485总线进行数据通信，采用Modbus-RTU协议（也可根据用户需求定制）。该监控系统支持WIN7/WIN8/XP操作平台。独立于硬件平台的软件系统，保证系统的通用性和扩展性，具有高效的数据管理模式，使用SQL Server数据库，透明数据传输，人机界面简单易懂。
除了在水泥行业的应用外，如果对上述的无线测温系统系统稍加改变，则可应用于粮库、棉库的无线温湿度监测，可及时有效地防止国家战略物资因火灾、潮湿而造成的重大损失。
三、总结
ZigBee技术正在不断发展壮大，其众多优点已得到广泛的认可，同时也得到世界上许多著名半导体厂商的积极支持，在短距离无线通信中已崭露头角，是当前高性能、低成本、低速率无线应用领域的技术热点，特别适用于工业自动化控制、现代农业、绿色节能环保、安全防护等领域；在水泥行业的电气配电室无线测温的应用，已取得明显和良好的社会效益和经济效益。（完）
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