第 7 期 　2011 年 7 月 工 矿 自 动 化 Industry a nd M ine Auto mation N o .7　 Jul.2011　 文章编号 :1671 -251X(2011)07 -0089 -04 基于无线传感网络的温度监测节点设计 温阳东 , 　张玉凤, 　朱敏 (合肥工业大学电气与自动化工程学院 , 安徽 合肥　230009) 　　摘要 :介绍了基于无线传感网络的高压电气设备温度实时监测系统中温度监测节点的软、硬件设计。 该 节点由微处理器 M SP430F2012 、温度传感器 DS18B20 和无线收发控制器 nRF24L 01 构成 。在温度监测过 程中, 温度传感器定时采集温度 , 温度信号经微处理器处理后, 节点通过无线收发控制器将得到的实际温度 值发送给基站 。该节点实现了对高压电气设备温度的实时监测功能 , 满足了测温节点低功耗的设计要求, 提 高了高压电气设备运行的稳定性和监测系统的可靠性。 关键词:无线传感网络 ;温度监测;无线通信 ;高压电气设备 　　中图分类号:T D76/ 655 .3 　　　文献标识码:B Design of T em perature M onitoring N ode Based on Wireless Sensor Netw ork WEN Yang-dong , 　ZH A N G Yu-f eng , 　Z H U M in (Scho ol of Elect rical Enginee ring and A ut omati on of H efei U nive rsity o f T echnolo gy , H efei 230009 , China) 　　Abstract :A design scheme o f tempe ra ture monito ring no de of real-ti me temperature mo nit oring sy stem f or high-v olt age elect rical equipm ent s based on w ireless senso r netw o rk was int roduced .T he node is consist ed of micropro cessor MSP 430F2012 , transceiver cont ro ller nRF 24L01 .In process of tem perature monit oring , t he t emperat ure senso r co llect s t em perat ure data reg ularly and sends the dat a to the micro pro cessor f or processing , then the node sends real-time t emperat ure dat a t o base stat ion thro ug h the w ireless t ransceiv er cont roller .T he node achieves real-time mo nit oring of high-v olt ag e elect rical equipment , sati sfies the demand o n low pow er consumption , and improves stabi li ty of the equipment s and reliabi li ty of the mo nit oring sy st em . tempe rat ure sensor DS18B20 and w ireless Key words:w ireless senso r net wo rk , t em perat ure m oni to ring , wi reless comm unicati on , hig h-vo ltage elect rical equipm ent 0 　引言 随着计算机与通信技术的广泛应用, 现代电力 系统逐渐向着高压、大机组、大容量的方向发展, 电 气设备的安全运行问题成为影响电力系统稳定运行 的因素之一。 电气设备的安全隐患主要是由于电气 节点长期工作或绝缘老化 , 使得节点温度升高从而 引发火灾[ 1] 。 电力系统中节点的热量与电流的平方 和时间成正比 , 设备运行过程中温度的升高是个缓 收稿日期 :2011-03-23 作者简介 :温阳东(1955-), 男 , 安徽合肥 人 , 教授 , 研究方向 为 自动控制 、计算机控制 、现场总线技术应用 、嵌入式系统 、电力系统监 控与继电保护 。 E-m ail:z hyf 1224@126.com 慢的过程。 因此 , 对电气设备的温度进行实时监测 , 并结合温度变化量的特点和具体监测对象的特征进 行综合分析和 诊断, 可以 将事故 隐患 消除 在萌 芽 状态 。 传统的有线监测方式布线复杂, 大量缆线暴露 在工作环境中, 并且需要大量人力敷设, 已经不能满 足目前社会的需求。 本文提出一种在温度监测系统 中利用无线传感网络构造温度 监测节点的解决 方 案, 为实时监测高压电气设备的温度和预防设备过 热提供了有益的帮助 。 1 　高压电气设备温度监测系统 高压电气设备温度监测系统采用分层、分布、分 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·90· 工矿自动化 2011 年 7 月　　　　　 散的思想进行设计[ 2] 。该系统由测温节点和测温基 站两部分组成 , 采用星型网络结构, 其中一个基站最 多可带 32 个节点 。基站和节点之间采用无线通信, 节点之间相互无通信功能 , 多个基站通过以太网连 接到上位机。 系统网络模型如图 1 所示。 图 1　电气 设备温度监测系统网络模型 　　测温节点用 于对电气设备的温度进 行实时监 测 , 定时扫描电气设备的温度并定时向基站发送温 度数据, 当温度超过某一设定值时立即向基站发送 预警信息 。测温基站主要负责接收和处理测温节点 传送的数据, 并在接收到预警信息时及时向上位机 发出警报 。另外, 通过基站还可以随时查看节点的 温度数据 。 2 　测温节点设计 2 .1 　总体结构及工作原理 测温节点主要由传感器模块 、微处理器模块 、无 线收发控制模块及电源模块 4 个部分构成, 如图 2 所示。 图 2 　测温节点总体结构 　　测温节点采用 MSP 430F2012 作为主 控制器。 温 度 传 感 器 DS18B20 定 时 采 集 温 度 , 经 由 M SP430F2012 的 P1 .0 口传送给 MS P430F2012 进 行数据处理, 得到实际温度值 。 MSP430F 2012 判断 该温度值是否超过设定阈值, 如果超过则立即通过 收发控制模块的 nRF 24L01 发送预警信号给基站; 如 果 没 有 超 过 设 定 阈 值, 则 将 温 度 保 存 在 M SP430F2012 内 部 存 储 器 内 , 再 定 时 控 制 nRF 24L01 将温度值发给基站, 即当温度过高时可 实现及时预警的功能, 当温度在安全范围内时, 定时 将温度传送给基站。 为了使系统的实时性更好, 基 站可主动查询温度 , 当基站给节点下发查询命令时, 节点立即上传设备的实时温度 。 2 .2 　硬件设计 2 .2 .1 　器件选型 测温节点一般安置在高压电气设备上, 节点电 池的更换比较麻烦, 因此 , 要求电池至少要连续工作 2 a 以上 , 所以节点的省电模式设计极为重要, 设计 中主要考虑低能耗的要求 。 (1)传感器模块 采用 DS18B20 作为温度传感器。 DS18B20 是 美国 DA L LA S 公司生产的可组网数字温度传感器 芯片 , 它能够直接读取被测物体的温度, 并转换为数 字信号输出 。该芯片具备独特的单线接口方式 , 仅 需 1 条口线即可实现与微处理器的双向通信 。现场 温度直接以一线总线的数字方式传输, 减少了信号 的损耗, 大大地提高了节点的抗干扰能力 , 适用于恶 劣环 境 的 现场 温 度 测 量。 DS18B20 测 温 范 围 为 -55 ～ +125 ℃, 在 -10 ～ +85 ℃时 测温精度 为 ±0 .5 ℃。每个 DS18B20 在出厂时都已具有惟一的 64 位序列号 , 因此 , 一条总线上可以同时挂接 多个 [ 3] 。 在 功 耗 方 面 , 由 于 D S18B20 采 用 DS18B20 CM O S 技术, 耗 电量很小, 从总线上“窃取”一点 电 保存到 DS18B20 内的电容中就可供给器件工作, 且 其在待机时功耗近似为零 。 (2)微处理器模块 T I 公司生产的 M SP430F2012 是一种超低功耗 的 16 位单片机 。它采用 RISC 内核结构 , 特别适合 于电池供电的场合, 能够在电压为 1 .8 ～ 3 .6 V 、频 率为 1 M H z 的条件下运行 , 且具有 5 种省电模式 。 另外 , MSP 430F 2012 还集成了 nRF24L 01 所需要的 SP I 串行通信模块, 并且支持独特的 SBW 接口(即 两线 JT A G 接 口), 使得后期的软件调试工作更 加 方便[ 4] 。 (3)无线收发控制模块 无线 收 发 控 制 模 块 中 的 通 信 控 制 器 选 用 nRF24L01 。它是一款工作于 2 .4 ～ 2 .5 G Hz ISM 频段的单片无线收发器芯片, 内置频率合成器 、功率 放大器、晶体振荡器、调制解调器等功能模块, 并融 合了增强型 ShockBurst 技术;其输出功率 、通信频 道和协议可通过 SP I 接口直接设置。 该芯片能耗非 常低 , 以-5 dB · m 的功率发射时 , 其工作电流只有 10 .5 mA , 接收时工作电流只有 18 mA 。 nRF24L 01 工作模式有发射模式 、接收模式、空闲模式和掉电模 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 7 期 温阳东等 :基于无线传感网络的温度监测节点设计 　　　 ·91· 式 , 如表 1 [ 5] 所示。 工作模式由 PW R U P 、P RIM RX 和 CE 决定 , 并可通过配置寄存器切换。 多种工 作模式使得 nRF 24L01 节能设计更方便。 表 1 　nRF24L01 的工作模式 模式 接收 发射 发射 空闲 2 空闲 1 掉电 PW R U P 寄存器 PRIM R X 寄存器 CE FIFO 状态 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 — — 1 1 1※0 1 0 — — 数 据 已 在 发射 堆 栈里 当 CE 有 下 降 沿 跳变时 , 数 据已发 出 发射堆栈空 此 时 没 有 数据 要 发射 — 　　(4)电源模块 　　电源模块为传感器 、处理器及无线收发控制模 块提供运行所需要的能量, 并对其进行管理 , 以达到 最大的使用效率[ 6] 。 由于节点电池更换比较麻烦, 因此这里采用高性能干电池作为电源 。 2 .2 .2 　硬件连接 nRF24L 01 和 M SP430F2012 的 连 接 如 图 3 所示。 图 3 　nRF24L 01 与 M SP430F2012 的连 接 　　SCN 、SCK 、MISO 和 M O SI 四个引脚构成标准 的 4 线 SP I 接口。 MSP 430F 2012 通过 SPI 接口与 nRF 24L01 进行 数据交 换。 M SP430F2012 工 作在 主机模式 , 它是数据传送的控制方 ;nRF 24L01 工作 在从机模式 , 它是数据传送 的受控方 。初 始化时, M SP430F2012 通过 SPI 接口配 置 nRF 24L01 的工 作参数 ;在发射和接收模式下 , MSP 430F 2012 通过 SPI 接口传输要发送或者接收的数据。 CE 为片选信号, IRQ 为中断请求信 号。 在数 据收发过程中 , 当 nRF24L 01 的中断源被置 高时, IRQ 引脚就 会被置低 , 通知 MSP 430F 2012 收发 的 状态 。中断源 TX DS 为发送成功标志位 , RX D R 为接收成功标志位, M A X RT 为自动重发超上 限 标志位。 2 .3 　软件设计 传感器模块的软件主要负责完成现场温度的采 集任务, 并通过无线收发控制模块传送采集到的数 据包 。软件设计的原则是降低能耗 , 使节点大部分 时间都工作在低功耗状态 。节点主程序包括系统初 始化 、温度 读取和收发控 制 3 个部 分, 流程 如图 4 所示 。 图 4 　主程序流程 2 .3 .1 　系统初始化 主程 序首 先完 成 M SP430F2012 、DS18B20 及 nRF24L01 的初始化, 然后进入低功耗的中断等待 状态 。 2 .3 .2 　温度读取 由于 DS18B20 是单线式连接的 , 微处理器对它 的任何操作都必须由初始化开始 , 且需要进行严格 的时序控制 。一次完整的操作有 3 个过程:初始化 操作 、读操作 、写操作 。 对 D S18B20 即为初始 化操 作、ROM 操作 、RA M 操作 。以下为 DS18B20 初始 化过程: (1)由 MSP 430F 2012 将数据线置高电平“1” ; (2)延时(该时间要求不是很严格, 但是应尽可 能短一点); (3)MSP 430F 2012 将数据线拉到低电平“0” ; (4)延时 750 μs(该延时范围是 480 ～ 960 μs); (5)MSP 430F 2012 将数据线拉到高电平“1” ; (6)延时等待 , MSP 430F 2012 释 放数据线 , 进 入等待模式 。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·92· 工矿自动化 2011 年 7 月　　　　　 如果 初 始 化 成 功, 则 在 15 ～ 60 m s 之 内 由 DS18B20 返回一个低电平“0” ;当 M SP430F2012 检 测到该低电平信号时, 认为初始化成功 , 可进行后续 操作。此处需注意不能无限地等待, 否则会使程序 进入死循环, 所以要进行超时控制。 在本设计里设 置等待时间为 480 m s , 如果 超时则认为初 始化不 成功。 通过 DS18B20 读 取 温 度 的 程 序 流 程如 图 5 所示。 即进入接收模式, 等待返回的应答信号。 如果收到 应答 , 则认为此次通信成功 , 将 T X DS 置高 , 同时 将 T X PL D 从发送堆栈中清除 ;若未收到应答 , 说 明发送失败 , 记录下发送失败的次数, 并自动重新发 射该数据[ 10] 。重新发送等待时间为 300 μs , 本设计 中设置初始重新发送次数为 3 次, 速度为 2 M bi t/ s , 输出功率为 0 dB · m 。 3 　结语 设计了基于无线传感网络的高压电气设备温度 监测节点 。该节 点采用高度集 成的无线收发器 件 nRF24L01 , 大大简化了节点的硬件和软件设计 , 减 小了节点体积。 该节点实现了对电气设备温度的实 时监测, 当设备温度超过设定值时 , 能主动向基站发 出警报, 提高了电气设备运行的稳定性和监测系统 的可靠性, 为预防火灾等意外事件的发生提供了有 益的帮助。 图 5 　温度读取流程 参考文献: 2 .3 .3 　收发控制 nRF24L 01 数 据 传 输 有 ShockBurst 和 Enhanced Sho ckBurst 两 种模 式[ 7-8] 。 两 种收 发模 式的 区 别 是 Enhanced Sho ckBurst 模 式 比 Shock Burst 模式多一个数据传送确 认信号, 保 证了数据 传输的可靠性。 在 Enhanced Sho ckBurst 模式下, nRF 24L01 启动时间短, 空中传输速度快, 极大地降 低了电流消耗[ 9] 。 发射数据时, MSP430F 2012 首先 配置 nRF24L01 相关寄存器 , 使其工作在发射模式。 发射模式的初始化配置过程 : (1)写 T x 节点的地址 T X A D DR ; (2)写 Rx 节点的地址 RX A DD R P 0(主要是 为了使能 A U TO A CK); (3)使能 A U T O A CK EN A A ; (4)使能 PIP E 0 EN RXA D D R; (5)配置自动重发次数 S ET U P RE T R ; (6)选择通信频率 RF CH ; (7)配置发射参数 RF SE T U P(低噪放大器增 益 、发射功率 、无线速率); (8)选择通道 0 的有效数据宽度 Rx Pw P0 ; (9)配置 nRF24L 01 的基本参数以及切换工作 模式 CO N F IG 。 M SP430F2012 将数据按照时序由 SPI 口写入 nRF 24L01 缓存区, 然后将 C E 置为高电平 , 并延时 一段时间后发射数据。 nRF 24L 01 在发射数据后立 [ 1 ] 　张建华, 王贻平, 郭 守贤.高压电气设备绝缘在 线监测 系统现场 校验技 术研究[ J] .华东 电力, 2009, 37(9): 68-72. [ 2 ] 　卢瑛, 吴国忠.智能型 高压电 气设备 温度监 测预 警系 统[ J] .中国电力, 2010 , 43(3):55-58 . [ 3 ] 　黄灿胜, 黄婷.基于 DS18B20 数字温度 计温度补 偿和 测量 系统 设 计[ J] .广 西 民 族 师 范 学 院 学 报, 2010 , 27(3):37-39. [ 4 ] 　沈建华, 杨艳琴.M SP430 系列 16 位超 低功耗单 片机 原理与实 践[ M] .北京:北京 航 空航 天 大 学出 版 社, 2008. [ 5 ] 　陈新兴, 林其伟, 高 银.基于 nRF24L 01 无线巷 道离层 仪设计[ J] .福建电脑, 2008(1):17-18 . [ 6 ] 　孙利民, 李 建 中, 陈渝, 等.无线 传 感器 网络[ M] .北 京:清华大学出版社, 2005. [ 7 ] 　AK Y ILD IZ I F, SU W .Wireless Senso r Ne tw o rks:A Surv ey[ J] .Computer N etwo rks , 2002 , 38(3):393- 422 . [ 8 ] 　张崇, 于 晓琳, 刘建 平.单片 2.4 G Hz 无线 收发 一体 芯片 nRF2401 及 其 应 用[ J] .国 外 电 子 元 器 件, 2004(6):34-36 . [ 9 ] 　No rdic 半导 体 公司.nRF24L 01 使用 手 册[ DB/ O L] . [ 2010 - 12 -03] .http:// wenku.baidu .com/ v iew/ e0aaf24efe4733687e21aab3 .html. [ 10] 　季行健, 郑青, 姜 伟.基于 nRF2401 无 线监 控系 统的 应用与实 现[ J] .自动化仪表, 2007(9):38-39 . 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net