基于WSN的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王薇，賈素梅

(邯鄲學(xué)院，河北邯鄲056005)

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分。在電力系統(tǒng)的長期運(yùn)行中，配電網(wǎng)中的各種設(shè)備因老化等問題常常會造成供電系統(tǒng)的失效。因此，為了保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就需要對配電網(wǎng)內(nèi)的各類設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測。在配電網(wǎng)中，配電裝置包括了開關(guān)電器(斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等)、保護(hù)裝置(熔斷器、繼電器、避雷器等)、載流導(dǎo)體等設(shè)備。對這些設(shè)備的在線監(jiān)測離不開及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，中央監(jiān)控中心與監(jiān)測端的通信大多采用有線傳輸，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，但是存在著布線復(fù)雜、維護(hù)困難、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不靈活的缺點(diǎn)，因此，利用無線采集系統(tǒng)取代有線監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

無線傳輸是利用電磁波來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。目前?yīng)用較多的是藍(lán)牙、Wifi、紅外數(shù)據(jù)傳輸、ZigBee等形式。在這些技術(shù)當(dāng)中，基于數(shù)據(jù)傳輸距離、速度、耗電量等方面的考慮，應(yīng)用以ZigBee技術(shù)為核心的無線傳感網(wǎng)(WSN)是一種良好的選擇[2]。

1 無線傳感網(wǎng)技術(shù)分析

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，WSN從最初的結(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計，再到智能群體的研究，已經(jīng)成為無線通信的一種熱點(diǎn)技術(shù)。

WSN是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一種新的信息獲取和處理模式。WSN是由數(shù)量眾多、分布隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)結(jié)點(diǎn)組成。這些結(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這些結(jié)點(diǎn)通過人工布置或飛機(jī)布撒的方式部署在預(yù)感知對象的附近，且采用自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并借助于結(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分及移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象，實現(xiàn)對所在環(huán)境的監(jiān)測。

圖1 WSN結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的每一個傳感器結(jié)構(gòu)以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)格，并通過多跳中繼方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳至匯總結(jié)點(diǎn)(sink)，再由匯總結(jié)點(diǎn)將整個無線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程管理中心進(jìn)行集中處理。

傳感網(wǎng)中的每一個傳感器結(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。它具有一定的處理能力、存儲能力和通信能力，可以完成數(shù)據(jù)的采集和處理功能。但是由于無線傳感網(wǎng)中每一個結(jié)點(diǎn)的能量有限，所以每一個結(jié)點(diǎn)的處理能力都不是很強(qiáng)。目前，適用于短距離的無線通信技術(shù)大致有藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)及Wifi技術(shù)。相比較而立，ZigBee技術(shù)以其功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、擴(kuò)展簡便及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)成為構(gòu)建WSN的最佳選擇。

圖2 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

本設(shè)計采用ZigBee技術(shù)，以Ad-Hoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)采用簇-樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每一個結(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片作為微處理器。CC2530的引腳端口與傳感器相連，形成數(shù)據(jù)采集的終端。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括三個基本模塊：底層數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲管理模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

底層數(shù)據(jù)采集模塊由CC2530所帶的電流、電壓、溫度、濕度、紅外、振動等傳感器組成，這些傳感器所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)CC2530中的8051單片機(jī)簡單處理后傳至數(shù)據(jù)傳輸模塊。

數(shù)據(jù)傳輸模塊由ZigBee路由器結(jié)點(diǎn)組成，這一部分也由CC2530芯片擔(dān)當(dāng)。這些路由器結(jié)點(diǎn)組成樹狀網(wǎng)絡(luò)，形成數(shù)據(jù)上傳至匯總結(jié)點(diǎn)的通道。

數(shù)據(jù)存儲與管理模塊由ZigBee協(xié)調(diào)器與PC機(jī)組成，Zig-Bee協(xié)調(diào)器由CC2530擔(dān)當(dāng)，與PC機(jī)用USB線進(jìn)行連接，串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PC機(jī)接收數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的存儲與處理。PC上安裝有網(wǎng)卡，形成與Internet網(wǎng)的連接端口，從而滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。

3 數(shù)據(jù)采集模塊隨機(jī)干擾的濾波設(shè)計

在無線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中，測量通道中串入隨機(jī)干擾是不可避免的。隨機(jī)干擾的出現(xiàn)會引起測量誤差，對遠(yuǎn)程的監(jiān)控不利。因此，采取某種手段對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波是保證采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提。

常用的數(shù)字濾波算法有算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、中位值濾波、限值濾波等方法，本設(shè)計采用基于中位值濾波方法的中位值平均濾波方法。

通常中位值濾波是對采集信號進(jìn)行排序，取位于中間的數(shù)據(jù)作為一次的采樣數(shù)據(jù)。這種方法對高頻干擾和低頻干擾都有一定的濾除效果，但是對于某些變化快速的采集數(shù)據(jù)，如電流、電壓、振動等，不宜采用中位置濾波。

中位值平均濾波方法是在中位值排序的基礎(chǔ)上，將最大和最小的數(shù)據(jù)去掉，然后將剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，最終將平均值作為一次采樣數(shù)據(jù)。因此無論對于緩慢變化的信號，還是對快速變化的信號，都能取得良好的濾波效果。

4 總結(jié)

本文利用無線傳感網(wǎng)構(gòu)建了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，利用CC2530的處理能力及路由能力，形成了一個多跳自組織的簇-樹狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時，采用中位值平均濾波法對隨機(jī)干擾進(jìn)行了過濾，提高了信號的潔凈度。

[1] 張永健.電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動化[M]．北京：中國電力出版社，2011：3-5.

[2] 屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M]．北京：中國鐵道出版社，2011：124-125.