CN112034914A - 一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制*** - Google Patents

一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，包括温湿度传感模块、微处理器、Zigbee终端节点、Zigbee中央节点、上位机、继电器、加热器、通风扇；其中温湿度传感模块与微处理器电连接；微处理器与Zigbee终端节点通信连接；Zigbee终端节点与Zigbee中央节点通信连接；Zigbee中央节点与上位机通信连接；微处理器与继电器电连接；继电器与加热器、通风扇电连接。本发明能够同时监测变电站端子箱内温度和湿度，并通过判断温湿度是否超出限值，结合继电器自动完成端子箱内温湿度闭环控制；通过Zigbee中央节点与Zigbee终端节点进行组网，实现无线通信功能，并可将温湿度数据集中上传；另外上位机能获取不同时间段外界气象条件，并以此实现端子箱内温湿度限值更新。

Description

一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***
技术领域
本发明涉及变电站端子箱温湿度控制领域，更具体地，涉及一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***。
背景技术
现有变电站端子箱大部分安装在室外，当空气中的温湿度发生变化时，将会引起凝露、滴水现象，造成二次回路绝缘损坏，甚至引起短路。如果端子排或继电器的接点短路，会直接导致保护误动。另外，端子箱受潮时，其端子排螺丝和连接片容易生锈，可能造成二次端子接触不良，使得电流回路端子发热，甚至造成开路，导致保护拒动或误动，引发安全事故。这些因素都严重影响了变电站的安全稳定运行。然而，现有的变电站端子箱控制***大多缺乏通信功能，无法将温度、湿度数据集中上传，且常常只用加热器防止凝露，仅从温度上而未考虑到从湿度上防凝露产生，长期使用加热器会加速端子箱内电气设备的老化，并且威胁到设备的稳定运行。除此之外，现有变电站端子箱控制***也不具备根据不同时间段的外界气象条件来更改控制***内部温湿度限值的功能。
在现有技术中，公开号为CN106681409A的中国发明专利，于2017年05月17日公开了一种变电站端子箱温湿度控制***及控制方法，能同时测量端子箱箱内、箱外温湿度信息，通过启动或关闭加热器，破坏产生端子箱空气凝露的凝露点的条件，还能够结合天气预报，预设置加热时间，以防止凝露发生。虽然该方案能在一定程度上起到防止凝露的作用，但是并未能解决上述问题，因此，用户急需一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***。
发明内容
本发明为解决现有变电站端子箱控制***缺乏通信功能、仅从温度上而未从湿度上进行防凝露、无法根据不同时间段的外界气象条件更改内部温湿度限值等问题，提供了一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，包括温湿度传感模块、微处理器、Zigbee终端节点、Zigbee中央节点、上位机、继电器、加热器、通风扇；其中：所述温湿度传感模块输出端与微处理器输入端电连接；所述微处理器与Zigbee终端节点通信连接；所述Zigbee终端节点与Zigbee中央节点通信连接；所述Zigbee中央节点与上位机通信连接；所述微处理器输出端与继电器输入端电连接；所述继电器输出端分别与加热器输入端、通风扇输入端电连接。
优选地，所述温湿度传感模块包括温度传感模块、湿度传感模块；其中：所述温度传感模块输出端与微处理器输入端电连接；所述湿度传感模块输出端与微处理器输入端电连接。
优选地，所述温湿度传感模块进行了软件补偿，在软件补偿时所建立的温度系数补偿方程为：
RHcompensatedT＝RHactualT+f(Tactual) ①；
f(Tactual)＝-0.15*(25-Tactual) ②；
其中，RHcompensatedT为补偿后的环境相对湿度％RH；RHactualT为原始的环境湿度％RH；Tactual为湿度传感模块温度；f(Tactual)为温度补偿系数；25表示温度为25℃。
优选地，所述微处理器为GD32E230C8T6型微处理器。
优选地，Zigbee终端节点包括数据发送节点、数据接收节点；其中：所述数据发送节点与微处理器通信连接；所述数据接收节点与Zigbee中央节点通信连接。
优选地，所述Zigbee中央节点与Zigbee终端节点采用星形拓扑结构组网。
优选地，所述Zigbee中央节点与Zigbee终端节点之间采用主动轮询方式进行交互。
优选地，所述上位机通过网络爬虫获取实时气象资料，然后利用实时气象资料计算环境的平均露点并更新温湿度限值。
优选地，所述微处理器根据上位机所计算出的平均露点以及更新的温度限值，判断是否需要通过继电器启动加热器。
优选地，所述微处理器根据上位机所更新的湿度限值，判断是否需要通过继电器启动通风扇。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过温湿度传感模块、微处理器和上位机的配合，实现了同时对变电站端子箱内的温度、湿度实施监测和分析的功能，并通过判断温湿度是否超出限值，结合继电器自动完成了端子箱内温湿度的闭环控制；通过Zigbee中央节点与Zigbee终端节点进行组网，实现了无线通信功能，并且可将温湿度数据集中上传；另外，上位机能获取不同时间段的外界气象条件，并基于此实现了端子箱内温湿度限值的更新。本发明具有功耗低、易维护的优点，极大节约了硬件成本和人工成本，提高了传感器集成化、智能化水平。
附图说明
图1为本发明***模块结构示意图；
图2为本发明Zigbee无线通信组网示意图；
图3为本发明温湿度信息处理流程图；
图4为本发明温湿度控制方法流程图；
图中标号分别代表：1温湿度传感模块；2微处理器；3Zigbee终端节点；4Zigbee中央节点；5上位机；6继电器；7加热器；8通风扇；11温度传感模块；12湿度传感模块；31数据发送节点；32数据接收节点。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，包括温湿度传感模块1、微处理器2、Zigbee终端节点3、Zigbee中央节点4、上位机5、继电器6、加热器7、通风扇8；其中：所述温湿度传感模块1输出端与微处理器2输入端电连接；所述微处理器2与Zigbee终端节点3通信连接；所述Zigbee终端节点3与Zigbee中央节点4通信连接；所述Zigbee中央节点4与上位机5通信连接；所述微处理器2输出端与继电器6输入端电连接；所述继电器6输出端分别与加热器7输入端、通风扇8输入端电连接。
上述方案中，温湿度传感模块1负责采集温湿度数据；微处理器2负责接收温湿度传感模块1所采集的模拟信号，并进行A/D转换，然后将得到的数字信号通过同步异步接收发射机(USART)端口发送；Zigbee终端节点3负责接收微处理器2所转换的数字信号，并通过无线传输将其传递给Zigbee中央节点4；Zigbee中央节点4集中各端子箱内温湿度数据后，再将该信号发送至上位机5；上位机5获取所在地区的实时气象资料，并结合所接收到的温湿度数据进行分析，计算出实时露点，重新调整端子箱内的温湿度限值，并将新的限值经Zigbee中央节点4返回至各端子箱内的Zigbee终端节点3；Zigbee终端节点3将新的限值发送至微处理器2中进行判断，是否要通过继电器6启动加热器7或通风扇8来控制端子箱内的温湿度，并维持在良好的状态。
具体地，所述温湿度传感模块1包括温度传感模块11、湿度传感模块12；其中：所述温度传感模块11输出端与微处理器2输入端电连接；所述湿度传感模块12输出端与微处理器2输入端电连接。
上述方案中，温度传感模块11包括一个带隙式温度传感探头，湿度传感模块12包括一个电容式湿度传感探头，所述探头均采用MEMS技术封装，采用产品模块化设计；而MEMS全称为微型电子机械***(Micro-Electro-Mechanical System)，MEMS气体传感器不仅设备体积小，更加容易集成，节省成像成本，而且具有保养维护简单、高稳定性、高响应速度、低功耗等特点。
具体地，所述温湿度传感模块1自行完成软件补偿，在软件补偿时所建立的温度系数补偿方程为：
RHcompensatedT＝RHactualT+f(Tactual) ①；
f(Tactual)＝-0.15*(25-Tactual) ②；
其中，RHcompensatedT为补偿后的环境相对湿度％RH；RHactualT为原始的环境湿度％RH；Tactual为湿度传感模块12温度；f(Tactual)为温度补偿系数；25表示温度为25℃。
上述方案中，温湿度传感模块1的默认分辨率设置为14位温度读数和12位相对湿度读数，测量数据以两个字节包(即8位长度的帧)的形式进行传输，每个字节后面跟着一个确认位，在计算物理值之前，必须将最后两位状态位设置为0；当输出STemp时，无论选择哪种分辨率，温度都按此公式转换(结果为℃)：
Figure BDA0002690524950000051
其中，STemp为温度传感模块11的输出值；而当输出SRH时，无论选择哪种分辨率，相对湿度都按此公式转换(结果为％RH)：
Figure BDA0002690524950000052
其中，SRH为湿度传感模块12的输出值，例如SRH为0x7C80:31872，则相对湿度为54.8％RH；为提升测量精度和稳定性，温湿度传感模块1通过数学计算的方式进行软件补偿，建立温度系数补偿方程，找到最优的拟合参数，减小测量湿度时受到温度的影响；①、②两式为温度超过25℃时软件补偿的过程。
具体地，所述微处理器2为GD32E230C8T6型微处理器。
上述方案中，GD32E230C8T6型微处理器配备高性能ARM32位Cortex-M23，最高工作频率可达到72MHz，相对于8/16位的处理器，代码效率更高，功耗更低，集成度极高，且内置高达64KB的嵌入式Flash和8KB的嵌入式SRAM，读写速度快，方便存储数据结果和程序。
具体地，Zigbee终端节点3包括数据发送节点31、数据接收节点32；其中：所述数据发送节点31与微处理器2通信连接；所述数据接收节点32与Zigbee中央节点4通信连接。
上述方案中，数据发送节点31负责接收微处理器2转换的数字信号并通过无线传输发送给Zigbee中央节点4；而数据接收节点32负责接收Zigbee中央节点4返回的在上位机5中更新的温湿度限值，然后再传输至微处理器2。
如图2所示，具体地，所述Zigbee中央节点4与Zigbee终端节点3采用星形拓扑结构组网。
上述方案中，所建立的星形拓扑结构网络为集中控制型网络，整个网络由Zigbee中央节点4执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过Zigbee中央节点4；每个发送端子箱温湿度数据的Zigbee终端节点3，都需要先发送至Zigbee中央节点4，再由Zigbee中央节点4送往上位机进行监控、处理等；其不仅控制简单，而且方便诊断故障和隔离。
具体地，所述Zigbee中央节点4与Zigbee终端节点3之间采用主动轮询方式进行交互。
上述方案中，每个Zigbee终端节点3都有自己唯一的ID号，Zigbee中央节点4主动根据Zigbee终端节点3的ID号依次询问其是否有数据需要发送，若某个Zigbee终端节点3有数据需要发送到Zigbee中央节点4，则Zigbee中央节点4开始处理接收到的数据，这有效避免了各节点之间的通信出现冲突等问题。
如图3所示，具体地，所述上位机5通过网络爬虫获取实时气象资料，然后利用实时气象资料计算环境的平均露点并更新温湿度限值。
上述方案中，上位机5通过网络爬虫能从互联网上(如百度天气、中国气象局网站)自动抓取该地区的实时气象资料，以获得室外的温度和湿度，不仅为上位机5计算露点提供了数据，也实现了依实时气象条件调整端子箱温湿度限值的功能；结合图示，可知整个温湿度信息处理的流程为：各端子箱内的Zigbee终端节点3将端子箱内温湿度数据经由Zigbee中央节点4发送至上位机5，上位机5通过爬虫从互联网中获取地区实时气象资料，上位机5的信息处理***结合端子箱内温湿度数据和地区实时气象资料，更新温湿度限值，并通过Zigbee中央节点4发送至各端子箱内的Zigbee终端节点5，再由Zigbee终端节点5将更新的限值传递给微处理器2，最后由微处理器2调控端子箱内温湿度。
如图4所示，具体地，所述微处理器2根据上位机5所计算出的平均露点以及更新的温度限值，判断是否需要通过继电器6启动加热器7。
上述方案中，上位机5获取到室外温度T1、室外湿度RH1以及端子箱内温度T2、端子箱内湿度RH2后，计算出露点温度Td1、Td2，并得出平均露点Td，更新温度限值，并将数据返回微处理器2；当0<T2-Td≤3且T2-T1＞0时，微处理器2通过继电器6启动加热器7，进行加热；当T2-Td＞3时，微处理器2通过继电器6停止加热器7；其中，所述露点温度Td1、Td2，以及平均露点Td的求得，均通过近似计算公式：
Figure BDA0002690524950000061
Figure BDA0002690524950000062
其中，温度T为温度，单位为℃；Td为露点，单位为℃；相对湿度RH为百分比；ln代表自然对数；常数a＝17.27；常数b＝237.7℃。
具体地，所述微处理器2根据上位机5所更新的湿度限值，判断是否需要通过继电器6启动通风扇8。
上述方案中，上位机5获取到室外温度T1、室外湿度RH1以及端子箱内温度T2、端子箱内湿度RH2后，判断RH1的大小，当RH1大于60％RH时，更新湿度限值为RH0，并将数据返回微处理器2；当RH2＞RH0时，微处理器2通过继电器6启动通风扇8，进行通风；当RH2＜RH0时，微处理器2通过继电器6停止通风扇8。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，包括温湿度传感模块(1)、微处理器(2)、Zigbee终端节点(3)、Zigbee中央节点(4)、上位机(5)、继电器(6)、加热器(7)、通风扇(8)；其中：
所述温湿度传感模块(1)输出端与微处理器(2)输入端电连接；
所述微处理器(2)与Zigbee终端节点(3)通信连接；
所述Zigbee终端节点(3)与Zigbee中央节点(4)通信连接；
所述Zigbee中央节点(4)与上位机(5)通信连接；
所述微处理器(2)输出端与继电器(6)输入端电连接；
所述继电器(6)输出端分别与加热器(7)输入端、通风扇(8)输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述温湿度传感模块(1)包括温度传感模块(11)、湿度传感模块(12)；其中：
所述温度传感模块(11)输出端与微处理器(2)输入端电连接；
所述湿度传感模块(12)输出端与微处理器(2)输入端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述温湿度传感模块(1)进行了软件补偿，在软件补偿时所建立的温度系数补偿方程为：
RHcompensatedT＝RHactualT+f(Tactual) ①；
f(Tactual)＝-0.15*(25-Tactual) ②；
其中，RHcompensatedT为补偿后的环境相对湿度(％RH)；RHactualT为原始的环境湿度(％RH)；Tactual为湿度传感模块温度；f(Tactual)为温度补偿系数；25表示温度为25℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述微处理器(2)为GD32E230C8T6型微处理器。
5.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，Zigbee终端节点(3)包括数据发送节点(31)、数据接收节点(32)；其中：
所述数据发送节点(31)与微处理器(2)通信连接；
所述数据接收节点(32)与Zigbee中央节点(4)通信连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述Zigbee中央节点(4)与Zigbee终端节点(3)采用星形拓扑结构组网。
7.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述Zigbee中央节点(4)与Zigbee终端节点(3)之间采用主动轮询方式进行交互。
8.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述上位机(5)通过网络爬虫获取实时气象资料，然后利用实时气象资料计算环境的平均露点并更新温湿度限值。
9.根据权利要求8所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述微处理器(2)根据上位机(5)所计算出的平均露点以及更新的温度限值，判断是否需要通过继电器(6)启动加热器(7)。
10.根据权利要求8所述的一种基于Zigbee无线通信的变电站端子箱温湿度控制***，其特征在于，所述微处理器(2)根据上位机(5)所更新的湿度限值，判断是否需要通过继电器(6)启动通风扇(8)。
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