無人值守電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王靜+周靜

摘要：針對目前對電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求與運行特點，設(shè)計了一基于ZigBee技術(shù)的電力機房運行情況環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，包括協(xié)調(diào)中心節(jié)點和終端節(jié)點兩種，并且采用德州儀器公司的低功耗芯片CC2530作其通信模塊。基于此，著重闡述了節(jié)點的硬件構(gòu)成和軟件程序流程。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)完全能夠滿足電力機房監(jiān)控的需要，監(jiān)測到異?？杉皶r進行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；機房監(jiān)控；環(huán)境檢測

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.05.094

1引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)帶來了新設(shè)計思路。隨著無人值守變電站的廣泛使用，現(xiàn)有的電力機房運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集傳輸問題亟待解決。之前普遍應(yīng)用的有線數(shù)據(jù)采集方式因為受到的地形和復(fù)雜環(huán)境因素帶來的影響多，布線復(fù)雜、維護困難、使用成本很高，已不再適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)需要。

ZigBee技術(shù)作為新型無線通訊技術(shù)中的一種，因其具有功耗低，低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)的容量大、安全、可靠等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于短距離內(nèi)的低速率數(shù)據(jù)傳輸。本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電力機房，并結(jié)合各種傳感器，可以有效的解決過去的檢測方式存在的問題，可以實現(xiàn)快速、方便地檢測電力機房的各項環(huán)境參數(shù)。

2關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1ZigBee

ZigBee是一種嶄新的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其在嵌入式設(shè)備中的使用是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的新熱點之一。ZigBee技術(shù)的主要特點是其支持自組網(wǎng)能力強，且自恢復(fù)能力強；它采用蜂巢結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個設(shè)備不僅能通過多個方向與網(wǎng)關(guān)通信，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；另外每個設(shè)備還擁有信號中繼功能，可將無線信號傳輸?shù)?000米以外。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有三種：星型結(jié)構(gòu)拓撲、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓撲、簇狀結(jié)構(gòu)拓撲，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2傳感器技術(shù)

傳感器是當(dāng)代息技術(shù)支柱產(chǎn)業(yè)之一.隨著現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展，傳感技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的作為新興學(xué)科也得到了迅速的發(fā)展，并且在工業(yè)自動化測量、航天技術(shù)、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科被廣泛地利用，對各學(xué)科的發(fā)展也有促進作用。傳感器是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，由感知電路和信號處理電路組成。電力機房環(huán)境檢測通常需要使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器。

煙霧傳感器：電力機房中有很多電器元件，由于元件老化或者設(shè)備運行的問題，機房內(nèi)常有火災(zāi)隱患?；馂?zāi)的初期，燃燒物質(zhì)多處于暗燃狀態(tài)，會產(chǎn)生大量的煙，所以在電力機房中安裝煙霧傳感器可以起到預(yù)報警的作用。本系統(tǒng)選用21R088光電煙霧傳感器。

溫濕度傳感器：為了實現(xiàn)對機房中溫控設(shè)備進行實時的控制，本系統(tǒng)配備了一種全新智能溫濕度傳感器（SHT11），這樣可以實時在線的采集電力機房內(nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，該傳感器因其具有良好的實時性、高精的測量精度、強大的抗干擾能力等特點，廣泛用于各種溫度監(jiān)控及溫度測控系統(tǒng)中。

3系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：終端環(huán)境感知節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及信息綜合處理層等部分。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器和若干個終端路由節(jié)點來組成，這里協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的中樞，它負責(zé)組織無線網(wǎng)絡(luò)的建立并在組網(wǎng)完成后監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運行。終端傳感器節(jié)點則是各類帶有ZigBee芯片的傳感器。

協(xié)調(diào)器與上位機由USB串口相連，路由器在數(shù)據(jù)上行側(cè)與服務(wù)器相連，完成無線傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。服務(wù)器用來存放電力機房的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過Web站點發(fā)布出去?？偱_的遠程用戶可以由遠程終端訪問Web站點監(jiān)測控制機房特定設(shè)備。

4硬件設(shè)計介紹

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的配置是系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵所在，而對于本無線傳感網(wǎng)來說，所關(guān)注的重點是各類傳感器的選擇和無線傳輸設(shè)備的設(shè)計。本系統(tǒng)的硬件主要包括終端傳感器節(jié)點模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊兩大部分。

4.1終端節(jié)點模塊的硬件設(shè)計

終端節(jié)點是本系統(tǒng)的底層設(shè)備，以德州儀器公司的CC2530芯片為核心，是帶有各類傳感功能的網(wǎng)絡(luò)子點。圖3為終端節(jié)點的硬件組成圖。CC2530是一個真正用于802.15.4的ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，它可以以降低的成本來組建強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530可以實現(xiàn)的功能共有3部分：（1）通過A/D轉(zhuǎn)換器進行各種數(shù)據(jù)采集；（2）由無線RF模塊完成所得數(shù)據(jù)的收發(fā)；（3）控制開關(guān)繼電器做出動作。終端節(jié)點模塊主要由電源、外接模塊、開關(guān)繼電器、RF收發(fā)器和顯示器等部分組成。

（1）RF收發(fā)器，該收發(fā)器的外圍電路為特性阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，所用天線為負極性天線；兩者的對應(yīng)接口情況為：Pin25與RF_N鏈接，Pin26與RF_P聯(lián)結(jié)。

（2）開關(guān)繼電器，應(yīng)用CC2530芯片發(fā)出的驅(qū)動的信號控制開關(guān)繼電器中的電磁線圈的開與閉，實現(xiàn)對智能服務(wù)設(shè)備電源電路的閉合開路控制。

（3）LED顯示，該模塊負責(zé)系統(tǒng)的組網(wǎng)狀態(tài)的顯示以及個基點自身測量數(shù)據(jù)的顯示。

（4）電源部分，在電源模塊中，采取鋰電池供電模式。使用正穩(wěn)壓器集成DC-DC變換器LM317為系統(tǒng)提供2.4V的輸出電壓，向系統(tǒng)供電。

（5）傳感器模塊外接模塊設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路及信號處理電路。

4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和控制指令的傳輸和數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，然后在PC機和服務(wù)器完成數(shù)據(jù)發(fā)布。為了實現(xiàn)良好的人機交互和實時顯示，系統(tǒng)中設(shè)計了小鍵盤及液晶顯示器，如圖4所示。

（1）串口通信模塊，該模塊選用常用的8251A芯片，它是一種可進行編程的通用同步/異步接收發(fā)送器，常作為串行通信接口，使用起來非常方便靈活。

（2）顯示器部分，顯示器主要負責(zé)顯示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實時工作狀臺，這里選用LCD12864液晶顯示器，采用SPI總線數(shù)據(jù)傳輸傳輸形式。

（3）按鍵模塊，按鍵模塊為4×3矩陣鍵盤，主要是數(shù)字鍵0到9以及刪除和發(fā)送等命令。

5軟件設(shè)計介紹

系統(tǒng)通信頻段選用公共頻率2.4GHz，此時數(shù)據(jù)的傳輸速率為250kbit/s。采用IEEE802.15.4協(xié)議中的載波檢測多路訪問碰撞避免機制來避免通信沖突，在節(jié)點之間進行通信的過程中，任何設(shè)備需要發(fā)送信息，都必須先發(fā)出一個空閑信道評估（CCA）指令來確定該信道是否空閑，當(dāng)確定信道未被占用之后才進行信息發(fā)送。

5.1協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器主要負責(zé)同意節(jié)點入網(wǎng)、組建無線網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)實時數(shù)據(jù)信息等。協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)的核心部分，由它來選取該網(wǎng)絡(luò)的NAI（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符），并檢測其他要求入網(wǎng)的節(jié)點的標(biāo)識，對符合要求的入網(wǎng)節(jié)點進行綁定；接收由終端節(jié)點發(fā)送回來的測量值，然后對這些測量數(shù)據(jù)進行初步的處理；再通過串口把數(shù)據(jù)傳送到上位機端進行分析和后續(xù)處理。所以，這里的協(xié)調(diào)器需要實時的處于激活的工作模式，不間斷的進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。協(xié)調(diào)器的具體工作流程如圖5所示。

5.2終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點會不斷發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的請求，直到得到協(xié)調(diào)器返回允許入網(wǎng)的回應(yīng)，并自動的加入到網(wǎng)絡(luò)中；若是沒能找到協(xié)調(diào)器，終端傳感器節(jié)點則會進行周期性的搜尋，直到得到協(xié)調(diào)器的回應(yīng)。終端節(jié)點加入到由協(xié)調(diào)器組件的網(wǎng)絡(luò)之后，它就會和協(xié)調(diào)器一樣，具有數(shù)據(jù)收發(fā)功能，終端節(jié)點主要負責(zé)利用傳感器去采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，并接受協(xié)調(diào)器的控制指令對執(zhí)行器做出操作。

出于對終端傳感器節(jié)點在減少電能損耗方面的考慮，我們的各類節(jié)點都盡量選用了低功耗的芯片和信號發(fā)射器，但是即便如此終端節(jié)點的能耗相對于他自身的電池容量還是很巨大的；基于此，在系統(tǒng)中為傳感器節(jié)點設(shè)置了數(shù)據(jù)采集和休眠兩中運行模式。無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功之后，上位機的應(yīng)用程序會收到回復(fù)，工作人員在上位機對終端節(jié)點發(fā)出指令，設(shè)置休眠時間和采集頻率H，之后終端節(jié)點自動開啟休眠模式，直到休眠結(jié)束，降低終端節(jié)點的耗電量。周期數(shù)據(jù)采集期間，終端節(jié)點安著設(shè)置的采集頻率和采集時間間隔對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集和上傳，完成一個周期的書籍采集任務(wù)后，節(jié)點又會自動回到休眠狀態(tài)。

對于需要完成一定控制任務(wù)的節(jié)點，則會循環(huán)接收協(xié)調(diào)器廣播發(fā)出的命令信息，當(dāng)接收到指令并經(jīng)過識別是發(fā)給自己的指令，然后終端節(jié)點開始操作執(zhí)行器，完成指令操作。終端節(jié)點工作流程如圖6所示。

6實驗結(jié)果

在某電力機房內(nèi)布置若干傳感器節(jié)點，分別對機房內(nèi)的溫度、火焰、煙霧進行監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機放置在機房的控制中心。對機房內(nèi)進行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸測試時，從中選取出4組環(huán)境數(shù)據(jù)，表1所示是實驗的測試結(jié)果。

從實驗中所得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析可以得出終端傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的最大距離不應(yīng)超過10米，因為室內(nèi)的設(shè)備比較多，這對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的信號傳輸有很大的影響；而反觀終端節(jié)點同協(xié)調(diào)節(jié)點在10米以內(nèi)的時候，兩者相距越近時，數(shù)據(jù)的傳輸就會越快速準(zhǔn)確。

經(jīng)過測試，系統(tǒng)中所用到的溫度傳感器的測量精度很高，其平均測量誤差在百分之1.3左右，是在可控范圍之內(nèi)的。

另外在進行煙霧濃度和火焰的測試時，傳感器所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，當(dāng)上位機檢測到量值超出了設(shè)定范圍，就會把發(fā)生變化的位置變?yōu)榧t色在上位機屏幕上顯示，同時給控制中心管理員的手機發(fā)報警。

7總結(jié)

針對目前電力行業(yè)對電力機房安全和智能化的需求，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一種電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。實驗證明，該系統(tǒng)具有低能耗、低成本、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，上位機人機交互界面極具人性化，具有很好的通用性，非常適合在無人值守電力機房中推廣使用。

參考文獻

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