基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇志德

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

暴雨、颶風(fēng)、雷擊以及濃煙等都會(huì)對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行造成一定影響。與其他通信設(shè)備相比，供電設(shè)備的運(yùn)行條件相對(duì)獨(dú)立。通信電源失效后，無(wú)法向控制中心發(fā)送故障信息，造成通信設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)失效。在當(dāng)前通信電源快速發(fā)展的背景下，基于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，電力系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)。它的正常工作狀態(tài)是保證通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠的重要因素。目前，該系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了一些進(jìn)展，但仍存在著噪聲大、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)失真等問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差[1]。本文以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套用于遠(yuǎn)程通信的電力監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著我國(guó)通信行業(yè)的迅速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷更新。通信基站的供電是基于通信網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的供電，是保障通信品質(zhì)的重要保障。目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信基站有數(shù)百萬(wàn)個(gè)，分布較廣。大部分基站建在偏遠(yuǎn)山區(qū)，沒(méi)有工作人員監(jiān)管，因此必須動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控其通信供電情況[2]。然而，傳統(tǒng)的電力通信監(jiān)控系統(tǒng)功能單一，應(yīng)用范圍較小，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展。

1 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特征

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各種通信協(xié)議層出不窮，尋找一種具有低成本、低能耗、高安全性以及高抗干擾性特點(diǎn)的無(wú)線傳感器技術(shù)相對(duì)困難。ZigBee技術(shù)與其他技術(shù)相比具有數(shù)據(jù)量小、周期短、傳輸和接收損失小等優(yōu)點(diǎn)，且成本低廉、傳輸速度慢、延遲小[3]。此外，ZigBee技術(shù)的一個(gè)主要結(jié)點(diǎn)可以同時(shí)處理多個(gè)結(jié)點(diǎn)，而主節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)管理254個(gè)子網(wǎng)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)具有較強(qiáng)的傳輸安全性、可靠性和抗干擾能力。該軟件還具有良好的兼容性和嵌入式性能，尤其適合短距離通信，是機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控的理想選擇。

2 以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為背景設(shè)計(jì)通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)通信電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其性能、參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將其反饋給指揮中心。硬件方面應(yīng)充分考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能。針對(duì)通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出與其進(jìn)行雙向通信的方式，如圖1所示。

圖1 硬件框架

傳感器是硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵器件，在遠(yuǎn)程通信電源監(jiān)控方面，重點(diǎn)分析監(jiān)控過(guò)程中的實(shí)際操作參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果。

研究的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端作為終端，使用離散型傳感器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。目前，國(guó)內(nèi)外的傳感器種類繁多，其中DS23Y41型、YK-65型等傳感器應(yīng)用較廣。DS23Y41型溫度傳感器的優(yōu)勢(shì)在于體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高[3]。本機(jī)型采用單線方式，可與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，減小了數(shù)據(jù)采集和通信誤差。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)

使用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)，核心節(jié)點(diǎn)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器以及網(wǎng)絡(luò)感知終端3部分組成[4]。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是通信電源的主要控制設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)管理和更新電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)采集和分析數(shù)據(jù)。在監(jiān)控方面，監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是采集管理信息、獲得操作狀態(tài)預(yù)警以及進(jìn)行軟件管理，可以為用戶提供任務(wù)的存取界面，一旦發(fā)生報(bào)警，可以自動(dòng)向上級(jí)報(bào)告。報(bào)警狀態(tài)下，每個(gè)參數(shù)的變動(dòng)幅度都很小，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在1～4 Bytes。為了確保以上數(shù)據(jù)能夠及時(shí)處理，在軟件中必須要建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行添加、查詢、修改等，確保能及時(shí)維護(hù)和管理數(shù)據(jù)。收到報(bào)文后，要先判斷報(bào)文類型，再分析裝置的異常狀況，最后確定是否有必要進(jìn)行報(bào)文處理。這個(gè)過(guò)程中需設(shè)置不間斷電源的運(yùn)行狀態(tài)，并在系統(tǒng)控制程序中進(jìn)行指令操作。

通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括基本電源信息、運(yùn)行信息和報(bào)警信息3個(gè)方面。電源基本信息包括電源名稱、地址、額定電壓、工作電流以及電源在供電時(shí)的實(shí)際消耗。監(jiān)控系統(tǒng)獲取的運(yùn)行信息主要有額定電壓、實(shí)際存在負(fù)載時(shí)的實(shí)際電流和逆變器的輸出電壓。報(bào)警信息主要有低電壓、輸出故障、負(fù)載過(guò)載以及低輸入電壓4種類型。規(guī)范系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，可以確保系統(tǒng)正常工作[5]。

2.2.2 布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)

為保證電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，應(yīng)在合適的位置設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，確保準(zhǔn)確通信。監(jiān)控點(diǎn)是指由通信電源設(shè)定的特定監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型包括監(jiān)視器的數(shù)據(jù)量、模擬量等。一定要選取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)控中心接收到來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包時(shí)，必須及時(shí)處理這些異常數(shù)據(jù)。所以，充分考慮通信供電的實(shí)際狀況。在選定監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，必須將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分類。監(jiān)控過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)應(yīng)包括電源參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、控制功能以及限制參數(shù)等。綜上所述，通信電源的主要參數(shù)是輸出電壓、三相電壓和輸出電流。在設(shè)置監(jiān)控站時(shí)，需對(duì)各監(jiān)控站進(jìn)行分類與設(shè)置，以保證采集的資料能真實(shí)反映通信電源的特性與工作狀態(tài)。通信監(jiān)控站電源可以直接從集控臺(tái)讀取有關(guān)的數(shù)據(jù)，但有些通信電源并未設(shè)置集控臺(tái)，因此監(jiān)控這些裝置時(shí)必須增加相應(yīng)的感應(yīng)器和發(fā)射機(jī)[6]。通信供電時(shí)，高壓部件的失效勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致低壓部件的失效。因此，在設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，只監(jiān)控低壓區(qū)。在供電端，必須將溫度傳感器插入供電設(shè)備，將其與結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。需要注意，系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)并非來(lái)自該裝置的表層溫度。在電力系統(tǒng)監(jiān)控中獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)必須能真實(shí)反映通信網(wǎng)的供電質(zhì)量。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

通過(guò)全面測(cè)試研制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能，驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能，并將新型系統(tǒng)與常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行監(jiān)控，分析其結(jié)果。

3.1.1 系統(tǒng)要求

目前，我國(guó)電信行業(yè)發(fā)展迅猛，許多地區(qū)都已組建通信機(jī)房。許多機(jī)房位于無(wú)人值守的偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此對(duì)其監(jiān)控工作的要求越來(lái)越高。針對(duì)某遠(yuǎn)距離通信機(jī)房的實(shí)際狀況，利用ZigBee技術(shù)建立了一套完整的無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)，用于監(jiān)控遠(yuǎn)程機(jī)房?jī)?nèi)的火災(zāi)煙感、空調(diào)運(yùn)行狀況、溫濕度門禁以及電力供應(yīng)等。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器數(shù)目也不相同，因此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題。該系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以ARM處理器模塊為主節(jié)點(diǎn)，以其他無(wú)線傳感器為從節(jié)點(diǎn)。在接收到控制指令后，該指令被發(fā)送到相應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接收指令后，將按照該指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送或其他操作。星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠苡行Х乐剐畔_突，同時(shí)能減少系統(tǒng)功耗[7]。

3.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)程機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)是以ZigBee為核心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)房的監(jiān)控。系統(tǒng)被分為4個(gè)層次：第1層即最高層是監(jiān)控中心，而在中央機(jī)房?jī)?nèi)是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)；第2層是計(jì)算機(jī)，一般在遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)室，是將中央機(jī)房的監(jiān)控主機(jī)和Zigbee網(wǎng)連接起來(lái)的重要節(jié)點(diǎn)；第3層是ZigBee的主節(jié)點(diǎn)，作為聯(lián)絡(luò)器，起到收割者的作用；第4層是路由器和各個(gè)傳感器終端。這樣可保證系統(tǒng)構(gòu)建的科學(xué)性，為后續(xù)的使用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在相同試驗(yàn)條件下，分別記錄設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控值，并采用坐標(biāo)系的監(jiān)控值和實(shí)測(cè)參數(shù)值進(jìn)行擬合。結(jié)果表明：常規(guī)的監(jiān)控值和真實(shí)參數(shù)的擬合曲線具有73.5%的相似度，其中監(jiān)控值和真實(shí)參數(shù)的擬合曲線具有98.6%的相似度?？梢钥闯觯O(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性較高。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)中，必須嚴(yán)格遵守其發(fā)展流程，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。

3.3 系統(tǒng)的主要作用

3.3.1 煙氣溫度和濕度的監(jiān)控

該系統(tǒng)可以對(duì)溫、濕度和煙塵進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控的相關(guān)信息發(fā)送給監(jiān)控室。監(jiān)視器上的軟件會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度和電子煙感器的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)處理。

3.3.2 空調(diào)機(jī)的運(yùn)行狀況監(jiān)控

中央采集系統(tǒng)將空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過(guò)計(jì)算機(jī)傳輸至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心的相關(guān)軟件分析該系統(tǒng)的工作狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

3.3.3 紅外干擾的監(jiān)控

該系統(tǒng)具備紅外線入侵檢測(cè)能力，可以檢測(cè)系統(tǒng)有沒(méi)有被入侵的可能。一旦監(jiān)控到有入侵者活動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)紅外線探測(cè)器收集紅外線信息，以高、低電平為主，傳輸?shù)街醒胧瞻l(fā)器，由中央收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心根據(jù)特定的行為進(jìn)行分析，及時(shí)做出處理。此外，系統(tǒng)具備監(jiān)控電磁鎖、供電系統(tǒng)等。HR-SR501紅外線感應(yīng)器經(jīng)過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向ARM發(fā)送電平變換處理器，使得ARM處理器開(kāi)啟影像攝取裝置，捕獲入侵者影像，并及時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存和傳送[9]。本地用戶可以使用視頻圖像獲取裝置用戶端和遠(yuǎn)程頁(yè)面客戶端的操作，如開(kāi)啟、關(guān)閉等。Video4linux接口具有視頻采集裝置影像捕獲功能，在設(shè)備初始化后分別進(jìn)行圖像獲取、程序執(zhí)行及影像傳輸偵聽(tīng)處理。使用Socket套接字的圖像數(shù)據(jù)以傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）為基礎(chǔ)進(jìn)行傳送，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集和傳輸視頻圖像。在本機(jī)上安裝Spcaview顯示器，可以直接顯示視頻影像，并具有手動(dòng)捕捉、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等功能[10]。此外，寫出滑鼠捕獲程式，并與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立程式合作，可使系統(tǒng)擁有遙控器捕獲監(jiān)視屏幕函數(shù)的功能。

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)的通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種新型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并從軟硬件方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。新型監(jiān)控系統(tǒng)還存在一定的問(wèn)題，一定程度上影響了工作進(jìn)度，因此后續(xù)發(fā)展必須對(duì)其進(jìn)行深入研究。此外，開(kāi)發(fā)了一款新的電力通信檢測(cè)系統(tǒng)，以S3C2440為核心處理器，與TMS320F2812相匹配。ZC301等器件能夠完成對(duì)電力質(zhì)量數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)以及圖像的采集。系統(tǒng)使用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器模塊的數(shù)據(jù)傳送，從而避免常規(guī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的配線工作，使用更靈活便捷。系統(tǒng)還建立了B/S模式業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，使系統(tǒng)運(yùn)行更便捷快速?？梢?jiàn)，電力通信檢測(cè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，具有很高的實(shí)用價(jià)值。