基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力線桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

葉德昌　郁煒　祝永華

摘 要：為便于高壓線路和電力塔提前維護(hù)和更好的使用，構(gòu)建了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)、自身電路和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包快速有效的延伸和接力傳輸。文章設(shè)計(jì)的電力塔遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與數(shù)據(jù)收發(fā)等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；高壓線路；電力塔

高壓線路和電力塔是遠(yuǎn)程電能輸送的關(guān)鍵設(shè)施，但由于人力和自然的損壞等不確定因素的影響，電力傳輸?shù)倪^(guò)程可能會(huì)被中斷，然而電力公司由于無(wú)法提前確定供電電纜是否會(huì)斷裂、斷裂的具體位置，采用傳統(tǒng)的方法查找耗時(shí)耗力，并且延誤搶修時(shí)刻，往往會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。為解決這類社會(huì)問(wèn)題，就必須能夠檢測(cè)供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的溫度、濕度等于電纜狀態(tài)緊密相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠把這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦╇姽芾聿糠值目刂浦行?，因此，建立一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電力塔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。本文采用ZigBee技術(shù)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)高壓輸電線路、以及中繼傳輸?shù)碾娏λ系臏囟取穸鹊认嚓P(guān)重要數(shù)據(jù)，建立一個(gè)傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和數(shù)據(jù)收發(fā)等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的理論和應(yīng)用研究。

1 電力塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電力傳輸線桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由無(wú)線節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)部分（sink節(jié)點(diǎn)）、Internet或GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)接口、上位機(jī)等組成。其中可分為以下模塊：

⑴主控制模塊設(shè)計(jì)：它包括振蕩器電路，編程接口電路，故障診斷電路以及狀態(tài)指示電路等幾部分組成。

⑵傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊：通過(guò)ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信方式及PRO協(xié)議棧，配合JN5148芯片通訊模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線傳輸。

⑶無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)：該模塊主要是以JN5148芯片為核心，通過(guò)UART異步串口與主處理器進(jìn)行通信，同時(shí)采用SPI總線接口完成模塊的初始化和命令，電源采用3.3V供電，復(fù)位端保持與節(jié)點(diǎn)終端系統(tǒng)一致的外部復(fù)位RESET。

⑷GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)電路：實(shí)現(xiàn)一定距離內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理匯總及轉(zhuǎn)發(fā)給供電管理部門的監(jiān)測(cè)控制中心。

⑸信息采集單元模塊：負(fù)責(zé)采集到的信息進(jìn)行檢測(cè)、處理、傳輸?shù)裙δ?，監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)人為破壞、自然災(zāi)害等。

⑹溫度、濕度及視頻圖像采集單元：采集高壓輸電線路和電力塔周圍張力、溫度和濕度等信息，及現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS公司的DS18B20，濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司SHT75。

⑺軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)：包括傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與數(shù)據(jù)收發(fā)、傳感器溫度濕度等信息數(shù)據(jù)采集與處理、圖像信息數(shù)據(jù)采集與處理、GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄控制等。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與數(shù)據(jù)收發(fā)

zigBee協(xié)議棧的功能在本文中可以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈接，并且完成溫度、濕度等數(shù)據(jù)的采集，為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與后臺(tái)控制中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。

在交互過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)的登錄、退出，以及收發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理之間的交互管理。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源于各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸采用路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸采用合理的路由協(xié)議機(jī)制，實(shí)現(xiàn)過(guò)程：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，首先傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)保存準(zhǔn)備處理。如果傳感器監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)需要發(fā)送或上層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)，則向相鄰ID號(hào)加1或減1的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后返回等待，繼續(xù)判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和采集傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送錯(cuò)誤設(shè)置發(fā)送標(biāo)志等待下一個(gè)周期向相鄰節(jié)點(diǎn)通信模塊再次發(fā)送。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則設(shè)置定時(shí)器初始化偵聽(tīng)周期，節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)入體眠狀態(tài)；當(dāng)定時(shí)器溢出后進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)，連續(xù)3次沒(méi)有激活事情，修改定時(shí)器偵聽(tīng)周期；如果在偵聽(tīng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生激活事件，則減小定時(shí)器偵聽(tīng)周期。一般狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠，等待下一個(gè)喚醒周期工作。

3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

⑴在線監(jiān)測(cè)供電線路的溫度和濕度等重要數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為供電線路維護(hù)人員實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確依據(jù)，大大提高了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

⑵無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳至監(jiān)控中心，從技術(shù)上解決了人工巡檢與無(wú)人機(jī)巡檢的各項(xiàng)不足，保障了輸電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。保障了電力工作者的工作安全，降低了平時(shí)的工作強(qiáng)度。

⑶實(shí)時(shí)采集供電線路的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)的定期系統(tǒng)停電檢修的方式方法，達(dá)到了“機(jī)器換人”的目的，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)可靠性高、成本降低和減少人工的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳少華.電力塔無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2011.

[2]鄭亞茹，黃曙，王眾.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].廣東電力，2010，12（12）.

[3]賈繼宣，程榮，唐曉梅，等.基于WSN的電力線受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2011，1（1）.

[4]李綱.ZigBee技術(shù)在遠(yuǎn)程通信信道中的研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2010.

[5]田真，袁東風(fēng)，梁泉泉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制技術(shù)的能效分析[J].通信學(xué)報(bào)，2008，11（11）.

[6]張燚.電力塔的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，9（9）.

[7]李振家.輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端研制[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.