专利名称：强交变电磁场中导电体温度测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于CAN总线双层网络结构的强交变电磁场中导电体温度测量 方法。
背景技术：
高压变配电设备处于强交变电磁场环境中，其中的高压开关、高压断路器等高压 电力设备的各连接点、各刀闸的动静触头、电缆连接头和导线等导电体由于各种原因会产 生温升，带来许多安全问题；由于处于强交变电磁环境，在线实时监测这些导电体的温升必 须解决温度测量和数据发送装置的功耗、高电压隔离、监测设备体积受限、安装方式简单可 靠等问题。
测量强交变电磁环境中的导电体温度目前首推无线法。其主要特征是使用无线
传感器采集温度信息，通过无线射频传到主节点，若干个主节点通过RS485总线联接到监
测后台进行显示和报警等。无线射频的频率使用315MHZ，433MHZ，2. 4GHZ和UWB等。其导
电体温度测量和数据发送装置的功耗和安装方式是无线监测技术的主要问题。 目前高压线路接点无线温度监测系统使用低功耗的时钟芯片，用于定时唤醒主电
路，以减少测量和数据发送装置功耗。由于时钟源于后台计算机，并非标准时钟源，同时时
钟只能通过RS485总线同步，系统内数据实时性难以得到保证，因而给整个相关网络故障
分析带来困难。因此引入GPS，作为系统同步时钟源是本发明的特征之一，为保证数据实时
传输，使用控制器局域网络(CAN)通讯协议代替RS485进行数据传输。 在现有的实践中采用了一种粘附安装传感器的方法，但需要24小时固化时间，这
在实际应用中是难以实现的。还有一种利用绝缘扎带固定的方法，因交变电磁场自身带来
的振动，一段时间后不可避免会引起绝缘扎带的松弛和老化，重要的是操作人员并不能及
时知道绝缘扎带的松弛和老化，所以这同样缺乏实用意义。在本发明中提出了一种借用现
有的螺栓固定方法，在螺栓固定处装有压力传感器，实时监测螺栓的松紧度，确保螺栓的有
效固定。 采用UWB在强交变电磁环境中的进行数据传输是可行的方法；虽然UWB克服了 蓝牙技术功耗相对较高的问题，UWB的功耗是蓝牙技术的二十分之一，但是其功耗依然是 ZigBee技术的一点七五倍；而空旷地带的传输距离只有不到十米，传输距离有限，妨碍了 UWB技术在强交变电磁环境中的应用；由于UWB发射超宽频带电磁波，会带来许多不可预测 的电磁干扰问题，因此UWB技术在高压变配电柜的应用并不是理想的选择。而采用无线数 据接收器通过点到点时分多址(TDMA)无线通讯方式能解决信号发射冲突的问题，但是由 于接收节点需用长时间侦听信道而消耗许多能量。所以TDMA依然不能独立解决强交变电 磁环境中导电体的温度测量问题。理想的选择应该是ZigBee技术。 ZigBee技术信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧的冲突，从而解决了 信号发射冲突的问题；同时具有极低功耗，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络 会话，其余时间都处于休眠模式，这样平均功耗非常低， 一块普通的碱性电池可供ZigBee设备工作六个月到两年；可靠性也是ZigBee技术的特征之一，为了保证帧的正确传输，ZigBee在MAC层采用了两个措施ARQ和帧缓存。当一帧传给一个设备时，如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧，那么网络协调设备就暂时缓存该帧，直到收端能接收该帧。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种基于CAN总线和ZigBee技术结合的强交变电磁场中导电体温度测量方法，特点是实时性强，功耗低，易于同步，安装方便可罪。 上述的目的通过以下的技术方案实现 强交变电磁场中导电体温度测量方法，其组成包括低功耗的含压力传感器的无线测温传感器、无线接收主站和监控中心三种物理模块，CAN和ZigBee两种通讯协议，上述内容构成多主多从的树状双层网络结构，第一层为CAN总线式菊花链结构，由监控中心和第二层的主节点组成，有线连接，使用控制器局域网络CAN协议进行数据的传输；第二层为星型结构，由该层主节点和从节点组成，无线连接，使用ZigBee紫蜂协议进行数据传输。
所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，所述的从节点就是含压力传感器的无线测温传感器，包括用于测量固定点松紧度的压力传感器、无线测温传感器整体封装在一个金属屏蔽盒内，所述的含压力传感器的无线测温传感器金属垫板与温度传感器连接，金属垫板通过螺栓和导电体连接，压力传感器安装在所述的导电体和金属垫板之间；
所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，无线接收主站包括用于数据传输的无线收发模块和管理收发模块的具有CAN总线控制器的单片机以及供电单元，所述的监控中心是带CAN总线控制器和GPS接收器的工业计算机。 所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，所述的从节点定时采集导电体的温
度、环境温度、电池电压以及金属垫板和导电体间的压力，通过ZigBee通讯协议主动向主
节点发送，主节点接收完该时段所有的从节点的数据后向监控中心发送；监控中心能主动
向主节点发出采集数据的指令，从节点收到指令后，即刻采集并返回相应数据。 所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，在第一层网络装有GPS时钟，负责
网络的时钟同步，从节点向主节点发送数据时，主节点发出应答信号，应答信号包括同步时
钟信号、参数设置信号和监控中心指令信号。 本发明的有益效果 1.本发明中控制器局域网络(CAN)通讯协议，能在多重节点间进行数据的通讯，利用标准CAN总线判优来确保CAN总线上实时数据的传输优先于非实时数据的传输，确保GPS时钟同步，提高总线利用率；而在错误监测机制方面RS485有致命的缺点，RS485只规定了物理层，而没有数据链路层，所以它对错误是无法识别的，除非一些短路等物理错误。这样容易造成一个节点破坏了，拼命向总线发数据(一直发1)，这样造成整个总线瘫痪。所以RS485 —旦坏一个节点，这个总线网络都挂。而CAN总线有CAN控制器，可以对总线任何错误进行检测，如果自身错误超过128个，就自动闭锁。保护总线。如果检测到其他节点错误或者自身错误，都会向总线发送错误帧，来提示其他节点，这个数据是错误的，大家小心。这样CAN总线一旦有一个节点CPU程序跑飞了，它的控制器自动闭锁。保护总线。所以在安全性方面CAN是很强的。 2.本发明中所采用的ZigBee协议简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb ;UWB相对复杂，它需要系统资源约为250Kb，而且ZigBee技术比UWB技术功耗低40X。ZigBee定义了两种类型的设备全功能设备FFD(FullFunctional Device)和简化功能设备RFD (Reduced Function Device)。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。 一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。 RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络等。 3.本发明所提出的无线传感器包含有压力和温度两种传感器，温度传感器用于测温，这是通用的做法；而压力传感器则是解决传感器固定的必备。目前实际应用中有一种粘附安装传感器的方法，但需要24小时固化时间，这在实际应用中是难以实现的。还有一种利用绝缘扎带固定的方法，因交变电磁场自身带来的振动，一段时间后不可避免会引起绝缘扎带的松弛和老化，重要的是操作人员并不能及时知道绝缘扎带的松弛和老化，所以这同样缺乏实用意义。在本发明中提出了一种借用现有的螺栓固定方法，在螺栓固定处装有压力传感器，实时监测螺栓的松紧度，确保螺栓的有效固定。 4.本发明所提出的GPS接收器，用来解决系统的时钟同步精度问题，便于进行远程监测点间的故障分析和评判。
附图1是强交变电磁场导电体温度测量系统结构图。 附图2是无线接收器主站结构图。 附图3是无线传感器结构图。 附图4是无线接收器的主站一个实例的原理图。 附图5是无线传感器的一个实例的原理图。
具体实施例方式 实施例1 : 强交变电磁场中导电体温度测量方法，其组成包括低功耗的含压力传感器的无线测温传感器、无线接收主站和监控中心三种物理模块，CAN和ZigBee两种通讯协议，上述内容构成多主多从的树状双层网络结构，第一层为CAN总线式菊花链结构，由监控中心和第二层的主节点组成，有线连接，使用控制器局域网络CAN协议进行数据的传输；第二层为星型结构，由该层主节点和从节点组成，无线连接，使用ZigBee紫蜂协议进行数据传输。
实施例2 : 所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，所述的从节点就是含压力传感器的无线测温传感器，包括用于测量固定点松紧度的压力传感器、无线测温传感器整体封装在一个金属屏蔽盒内，所述的含压力传感器的无线测温传感器金属垫板与温度传感器连接，金属垫板通过螺栓和导电体连接，压力传感器安装在所述的导电体和金属垫板之间；
实施例3 : 所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，无线接收主站包括用于数据传输的无线收发模块和管理收发模块的具有CAN总线控制器的单片机以及供电单元，所述的监控中心是带CAN总线控制器和GPS接收器的工业计算机。
实施例4: 所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，所述的从节点定时采集导电体的温度、环境温度、电池电压以及金属垫板和导电体间的压力，通过ZigBee通讯协议主动向主节点发送，主节点接收完该时段所有的从节点的数据后向监控中心发送，监控中心能主动向主节点发出采集数据的指令，从节点收到指令后，即刻采集并返回相应数据。
实施例5 : 所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，在第一层网络装有GPS时钟，负责网络的时钟同步，从节点向主节点发送数据时，主节点发出应答信号，应答信号包括同步时钟信号、参数设置信号和监控中心指令信号。
实施例6 : 本发明提供的强交变电磁环境中导电体的温度方法，包括低功耗的无线测温传感器、无线接收主站、监控中心三种硬件模块，还包括CAN和ZigBee两种通讯协议，构成多主多从的树状双层网络结构。 无线测温传感器包括用于测量导电体温度的数字温度传感器、用于测量固定点松紧度的压力传感器、用于数据传输的无线收发模块、用于管理传感器和收发模块的低功耗单片机和用于提供整个装置电能的微型高能量电池。无线测温传感器整体封装在一个金属屏蔽盒内，和导电体等电位，压力传感器位于金属屏蔽盒的固定端处。 无线接收主站包括用于数据传输的无线收发模块和管理收发模块的具有CAN总线控制器的单片机以及供电单元。 监控中心是带CAN总线控制器的工业计算机和GPS接收器。
实施例7 : 本发明提供的强交变电磁环境中导电体的温度方法，包括低功耗的含压力传感器的无线测温传感器、无线接收主站、监控中心三种硬件模块，还包括CAN和ZigBee两种通讯协议，构成多主多从的树状双层网络结构。见图一。监控中心是带CAN总线控制器和GPS接收器的工业计算机。 无线接收主站包括用于数据传输的无线收发模块和管理收发模块的具有CAN总线控制器的单片机以及供电单元。见图二。 含压力传感器的无线测温传感器包括用于测量导电体温度的数字温度传感器、用于测量固定点松紧度的压力传感器、用于数据传输的无线收发模块、用于管理传感器和收发模块的低功耗单片机和用于提供整个装置电能的微型高能量电池。无线测温传感器整体封装在一个金属屏蔽盒内，和导电体等电位，压力传感器位于金属屏蔽盒的固定端处。见图 图四是无线收发器的一个实例，由含CAN总线控制器的微处理器Ul、 CAN驱动器U2、含ZigBee协议的射频收发平台U3和时钟U4组成。射频频率为2. 4GHZ。器件的选择以满足CAN和ZigBee协议运行速度为基本要求，兼顾体积和功耗。
Ul型号是PIC18F2580，工作电压2. 2V_5. 0V，功耗低，28引脚，内含CAN2. 0协议；
U2型号是MCP2551，是专用的CAN驱动芯片；U3型号是CC2420，第一个ZigBee协议平台，48引脚，体积小；U4型号是PCF8563，时钟芯片，就地时钟处理。 图五是无线传感器的一个实例，由低功耗的微处理器U5，含ZigBee协议的射频收发平台U6和U7数字温度传感器组成。 U5型号是MSP430F2121，工作电压2. 2V-3. 6V，有休眠省电模式，功耗极低，20引脚；U6同U3是专用的ZigBee协议芯片；U7型号是DS18B20，数字温度传感器，3个引脚，体积小，有休眠省电模式，这组芯片均有休眠省电模式，功耗极低，适合低功耗的场合。
权利要求
一种强交变电磁场中导电体温度测量方法，其组成包括低功耗的含压力传感器的无线测温传感器、无线接收主站和监控中心三种物理模块，CAN和ZigBee两种通讯协议，其特征是上述内容构成多主多从的树状双层网络结构，第一层为CAN总线式菊花链结构，由监控中心和第二层的主节点组成，有线连接，使用控制器局域网络CAN协议进行数据的传输；第二层为星型结构，由该层主节点和从节点组成，无线连接，使用ZigBee紫蜂协议进行数据传输。
2. 根据权利要求1所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，其特征是所述的从 节点就是含压力传感器的无线测温传感器，包括用于测量固定点松紧度的压力传感器、无 线测温传感器整体封装在一个金属屏蔽盒内，所述的含压力传感器的无线测温传感器金属 垫板与温度传感器连接，金属垫板通过螺栓和导电体连接，压力传感器安装在所述的导电 体和金属垫板之间。
3. 根据权利要求1所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，其特征是无线接收 主站包括用于数据传输的无线收发模块和管理收发模块的具有CAN总线控制器的单片机 以及供电单元，所述的监控中心是带CAN总线控制器和GPS接收器的工业计算机。
4. 根据权利要求1或2或3所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，其特征是 所述的从节点定时采集导电体的温度、环境温度、电池电压以及金属垫板和导电体间的压 力，通过ZigBee通讯协议主动向主节点发送，主节点接收完该时段所有的从节点的数据后 向监控中心发送；监控中心能主动向主节点发出采集数据的指令，从节点收到指令后，即刻 采集并返回相应数据。
5. 根据权利要求1或2或3所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，其特征是 在第一层网络装有GPS时钟，负责网络的时钟同步，从节点向主节点发送数据时，主节点发 出应答信号，应答信号包括同步时钟信号、参数设置信号和监控中心指令信号。
6. 根据权利要求4所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，其特征是在第一层 网络装有GPS时钟，负责网络的时钟同步，从节点向主节点发送数据时，主节点发出应答信 号，应答信号包括同步时钟信号、参数设置信号和监控中心指令信号。
7. 根据权利要求5所述的强交变电磁场中导电体温度测量方法，其特征是在第一层 网络装有GPS时钟，负责网络的时钟同步，从节点向主节点发送数据时，主节点发出应答信 号，应答信号包括同步时钟信号、参数设置信号和监控中心指令信号。
全文摘要
基于CAN总线双层网络结构的强交变电磁场中导电体温度测量方法，高压变配电设备温升必须解决温度测量和数据发送装置的功耗、高电压隔离、监测设备体积受限、安装方式简单可靠等问题。本发明包括低功耗的含压力传感器的无线测温传感器、无线接收主站和监控中心三种物理模块，CAN和ZigBee两种通讯协议。上述内容构成多主多从的树状双层网络结构，第一层为CAN总线式菊花链结构，由监控中心和第二层的主节点组成，有线连接，使用控制器局域网络CAN协议进行数据的传输；第二层为星型结构，由该层主节点和从节点组成，无线连接，使用ZigBee紫蜂协议进行数据传输。本发明应用于测量强交变电磁场中导电体温度。
文档编号H04W84/18GK101750161SQ200810209629
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者邵殿波 申请人:黑龙江乾丰科技发展有限公司