基于ZigBee技術(shù)的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃秀超 鐘建偉 張建業(yè) 黃謀甫 田家俊 朱澗楓

關(guān)鍵詞： 桿塔傾斜; ZigBee技術(shù); GPRS通信; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 實(shí)時(shí); 在線監(jiān)測

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）05?0095?05

Design of transmission tower tilt on?line monitoring system

based on ZigBee technology

HUANG Xiuchao1， ZHONG Jianwei1， ZHANG Jianye2， HUANG Moufu2， TIAN Jiajun2， ZHU Jianfeng1

（1. School of Information Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi 445000， China;

2. Enshi Power Supply Company， State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Enshi 445000， China）

Abstract： The traditional tower tilt monitoring system has the disadvantages of low automation degree， inability of real?time monitoring， high cost of wired network and difficulty of expanding and maintaining. In combination with the actual demand of power system and advantages of ZigBee wireless sensor network technology， a low?power consumption， high?precision tower tilted remote monitoring system based on ZigBee technology and GPRS communication technology is designed. The overall design scheme of the system is introduced in detail， including the hardware and software design of the system such as ZigBee communication module， GPRS communication module， power module and remote detection center. The test results show that the system runs smoothly， can realize the real?time and on?line monitoring of the power transmission tower tilt in the monitored area， and has strong implementation and wide application prospect.

Keywords： tower tilt; ZigBee technology; GPRS communication; remote monitoring; real?time performance; on?line monitoring

0 ?引 ?言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電能消耗越來越大，電能資源東西分布不均的矛盾日益突出，尤其是華東、華北地區(qū)的用電量急劇增加，必須通過“西電東送”將西部地區(qū)的電能資源輸送至東部地區(qū)[1]。因此高電壓輸電線路建設(shè)越來越多，高電壓線路的輸送距離長，分布區(qū)域廣，大部分處于地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)山區(qū)，不便于巡視和維護(hù)。在獨(dú)特的氣候條件和地理?xiàng)l件下，很容易發(fā)生桿塔傾斜，如果桿塔傾斜不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很可能引起倒塔、斷線等事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。目前對輸電桿塔傾斜的監(jiān)測主要采用有線通信、人工巡視、視頻監(jiān)控等方法[2?3]。但是有線網(wǎng)絡(luò)成本高、不利于擴(kuò)展;人工巡視測量誤差大、受地理?xiàng)l件影響明顯;視頻監(jiān)控只能做到事后監(jiān)測。這些方法均不能讓維護(hù)人員實(shí)時(shí)了解到桿塔的運(yùn)行狀態(tài)，并對潛在危險(xiǎn)采取及時(shí)的措施，防止倒塔、斷線等事故的發(fā)生。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用MPU6050傳感器對輸電桿塔的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以作為在線監(jiān)測和桿塔傾斜預(yù)警的依據(jù)。使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[4?7]完成傳感器采集到的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心下發(fā)指令在指定的無線網(wǎng)絡(luò)中的交互;使用GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸;使用干電池供電，太陽能供電和可充電電池相結(jié)合的方式供能，可以在極端氣象和特殊地形條件下對輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并及時(shí)有效地向維護(hù)人員反饋輸電桿塔的運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可行性高、能耗低、監(jiān)測精度滿足要求，對倒塔、斷線等事故的發(fā)生具有一定的預(yù)防作用。

1 ?監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由MPU6050傳感器、ZigBee通信模塊、GPRS通信模塊、電源模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等部分組成。其中電源模塊為系統(tǒng)中各傳感器和通信模塊供能;MPU6050傳感器和ZigBee通信模塊構(gòu)造終端采集節(jié)點(diǎn)，安裝在輸電桿塔上對桿塔的傾斜狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;通過ZigBee無線通信模塊組建覆蓋被檢測區(qū)段的低成本、多節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，完成MPU6050采集到的桿塔傾斜數(shù)據(jù)在本無線通信網(wǎng)絡(luò)三種節(jié)點(diǎn)之間的傳輸。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口傳到MSP430F149進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過串口傳遞給GPRS通信模塊，運(yùn)用GPRS通信技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，最后在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過數(shù)據(jù)接收設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并通過串口傳遞給PC機(jī)，利用Matlab、VB 6.0和ACCESS等軟件開發(fā)相應(yīng)的操作界面和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對桿塔傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、降噪、去噪和存儲，方便工作人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱、統(tǒng)計(jì)和分析。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、電源模塊以及PC機(jī)等部分。系統(tǒng)中三種設(shè)備的設(shè)計(jì)采用樹簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8?9]，其中路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)相似，主要區(qū)別在于軟件設(shè)計(jì)方面，所以對于路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)不進(jìn)行贅述，只對終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和電源模塊等部分進(jìn)行介紹。

2.1 ?終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)固定在輸電桿塔頂端，通過與之相連的傳感器對桿塔運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過ZigBee無線通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給本網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點(diǎn);通過父節(jié)點(diǎn)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心下發(fā)的指令并作出應(yīng)答。終端節(jié)點(diǎn)硬件包括ZigBee通信模塊、傾角傳感器和電源模塊等部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)選用MPU6050傳感器，采用集成的3軸MEMS陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行桿塔運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，然后通過內(nèi)部集成的ADC處理器將輸出量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并且內(nèi)部還有可編程的低通濾波器，具有抗干擾性強(qiáng)、包裝空間小、采集精度高、能耗低等優(yōu)勢。

終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的CC2530芯片[10]。CC2530是一種用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的SoC芯片，結(jié)合領(lǐng)先的RF收發(fā)器和增強(qiáng)型8051 CPU，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和收發(fā)功能，擁有多個(gè)外設(shè)接口可以用來拓展節(jié)點(diǎn)的功能，此外，還具有不同的運(yùn)行模式，且不同模式之間轉(zhuǎn)換響應(yīng)快，可以以極低的成本組建一個(gè)多功能、高抗干擾性的無線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 ?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要完成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建，接收和處理各子節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程監(jiān)控中心下發(fā)的指令，以及利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將子節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。該部分主要包括ZigBee通信模塊、MCU模塊、GPRS通信模塊和電源模塊等，其硬件框圖如圖3所示。

MCU模塊采用TI公司的MSP430F149 MCU，它采用16位RISC架構(gòu)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速率高，具有不同的工作模式，且不同模式之間的轉(zhuǎn)換響應(yīng)快，可以在超低功耗模式下通過算法對數(shù)字信號進(jìn)行處理。

GPRS模塊采用SIM800A型GSM/GPRS模塊。用戶可以通過TTL或RS 232串口實(shí)現(xiàn)該模塊與MCU和其他串口設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接入，然后利用模塊內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的接入，在低功耗條件下實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

2.3 ?電源模塊設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)中三種節(jié)點(diǎn)的工作模式采用非信標(biāo)模式[11]，綜合設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)性考慮，采用蓄電池對終端節(jié)點(diǎn)供能，采用太陽能供電和可充電電池相結(jié)合的模式對路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)供能。系統(tǒng)中CC2530芯片的工作電壓為2.0～3.6 V，且MSP430F149和MPU6050等元件的工作電壓均為3.3 V左右，所以采用3.3 V電壓作為系統(tǒng)中三種節(jié)點(diǎn)的供電電壓。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文第2部分介紹的硬件設(shè)計(jì)只能完成本系統(tǒng)物理層的部分功能，物理層以上的功能需要借助軟件來完成。本設(shè)計(jì)用Z?Stack ?CC2530?2.3.0?1.4.0作為ZigBee協(xié)議棧，用IAR EW8051?8.1作為軟件開發(fā)環(huán)境，所有程序在開發(fā)環(huán)境中完成編譯和調(diào)試后，通過下載器燒寫到相應(yīng)的硬件節(jié)點(diǎn)中。

3.1 ?終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)通電啟動后，完成硬件初始化，然后主動掃描信道，向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)信號，以加入組建好的網(wǎng)絡(luò);如果未能加入網(wǎng)絡(luò)，將會再次發(fā)送入網(wǎng)信號，直至成功加入指定的網(wǎng)絡(luò)。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，在沒有接收到指令的情況下，終端節(jié)點(diǎn)會自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減小節(jié)點(diǎn)的能耗，增加電池的使用時(shí)間。當(dāng)接收到指令時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)會被喚醒，然后通過節(jié)點(diǎn)上的MPU6050傳感器采集桿塔傾斜數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、打包，然后將數(shù)據(jù)包通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給其父節(jié)點(diǎn)。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，節(jié)點(diǎn)則再次進(jìn)入休眠模式;如果不成功，節(jié)點(diǎn)需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到成功為止。其流程如圖4所示。

3.2 ?路由器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)通電啟動后，完成硬件初始化，然后選擇信道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，尋找附近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送入網(wǎng)信號，嘗試加入該協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立的無線通信網(wǎng)絡(luò)。如果路由器節(jié)點(diǎn)未能加入網(wǎng)絡(luò)，則會再次發(fā)送入網(wǎng)信號，直至成功加入網(wǎng)絡(luò)。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，會得到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)絡(luò)短地址，然后等待終端節(jié)點(diǎn)的加入。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)加入成功后，路由器節(jié)點(diǎn)會根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)分配的短地址區(qū)間為其每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)短地址（通過該短地址實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的連接，并完成兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸）。路由器節(jié)點(diǎn)就會處于信號接收模式，當(dāng)接收到信號時(shí)，會對接收到信號的類型進(jìn)行判別，并做出相應(yīng)的應(yīng)答，保證每個(gè)指令都能及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)綄?yīng)的目的節(jié)點(diǎn)。其流程如圖5所示。

3.3 ?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)，系統(tǒng)上電啟動后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行能量檢測，選擇合適的信道為自己的網(wǎng)絡(luò)確定一個(gè)PAN ID，并以廣播的形式發(fā)送自己的網(wǎng)絡(luò)ID、信道等信息。等待子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請，并作出相應(yīng)的應(yīng)答，如果子節(jié)點(diǎn)被允許加入網(wǎng)絡(luò)，則為其分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，使該子節(jié)點(diǎn)能夠參與到自己組建的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信。協(xié)調(diào)器能夠接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)包信息，并通過MSP430F149對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，然后通過GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并將遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的下行指令發(fā)送到相對應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)。其流程如圖6所示。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)選用1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。利用CC2530 ZigBee模塊和MPU6050傳感器構(gòu)造桿塔傾斜的終端節(jié)點(diǎn)，采集輸電線路桿塔傾斜數(shù)據(jù)，然后通過路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)MSP430F149處理后通過SIM800A模塊將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)測中心通過GPRS接收裝置從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)并通過串口接入PC機(jī)，利用操作系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)去噪、降噪處理，顯示和存儲，以便工作人員日后查詢或調(diào)用。在轉(zhuǎn)動終端節(jié)點(diǎn)以模擬桿塔傾斜的過程中，PC上通過串口調(diào)試助手得到的實(shí)時(shí)桿塔傾角數(shù)據(jù)以及變化波形圖分別如圖7，圖8所示。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過測試結(jié)果分析可得，利用卡爾曼濾波算法對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、去噪處理以后，若輸電桿塔的運(yùn)行狀態(tài)良好，并未出現(xiàn)傾斜時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心得到的桿塔運(yùn)行方位角在三個(gè)軸方向的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定不變的;當(dāng)輸電桿塔出現(xiàn)傾斜時(shí)，維護(hù)人員可以從遠(yuǎn)程監(jiān)控中心及時(shí)得到桿塔傾斜在三軸方向的具體數(shù)值、變化曲線和變化幅值，并且可以采用神經(jīng)算法等算法對傾斜的趨勢做出預(yù)測，然后根據(jù)是否達(dá)到桿塔傾斜臨界值采取相應(yīng)的措施，防止事故的發(fā)生。本設(shè)計(jì)通過ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了輸電線路桿塔傾斜在線監(jiān)測，達(dá)到了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

5 ?結(jié) ?語

本設(shè)計(jì)采用MPU6050傳感器、CC2530 ZigBee模塊和SIM800A GPRS模塊相結(jié)合的模式，充分利用ZigBee和GPRS無線通信的優(yōu)勢，克服有線通信局限性的同時(shí)，本設(shè)計(jì)只需要在每個(gè)需要檢測的桿塔上安裝一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和傳感器便可實(shí)現(xiàn)輸電線路桿塔傾斜的在線監(jiān)測，相較于其他系統(tǒng)，采用SCA100/200T等傳感器進(jìn)行監(jiān)測時(shí)需要在一個(gè)桿塔上安裝多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和傳感器，減少了建設(shè)成本，提高了輸電線路桿塔運(yùn)行的可靠性和在線監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并且使用干電池、太陽能電池板和可充電電池相結(jié)合的方式供能，盡可能地克服了地理位置和天氣條件帶來的局限性，對輸電線路桿塔傾斜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目，經(jīng)實(shí)地測試，系統(tǒng)有效可行且精度高，證明本系統(tǒng)具有很好的可行性和廣闊的應(yīng)用前景。

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