基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站端子箱小動物驅離方案研究

陸卓淵，陳達

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

變電站大多處于較偏僻地段，成為鳥、貓、老鼠、壁虎等小動物樂于棲息的地方，隨著無人值守模式的推行，變電站小動物隱患日益突出。小動物進入站內(nèi)帶電設備區(qū)將導致短路、跳閘事故的發(fā)生，破壞了設備運行環(huán)境，對電力設備的持續(xù)安全穩(wěn)定運行造成了威脅，增加了運行人員的維護壓力。其中，變電站端子箱小動物隱患較為常見，又存在造成直流接地、二次回路短路進而設備跳閘等嚴重危害性，隱患發(fā)生概率高、危害程度大的雙重特點使其成為變電站防小動物管理的重點關注內(nèi)容之一。因此，亟須研究一種行之有效的變電站端子箱小動物驅離方案。

1 現(xiàn)狀分析

變電站內(nèi)小動物活動具有隨機性、長期性、復雜性，難以采用主動措施將其徹底清除。目前防小動物管理采用的方法主要有：（1）多層級封堵，隔離站內(nèi)站外、箱內(nèi)箱外通道，避免小動物進入端子箱。該方法防護較為完整，但封堵措施一方面會老化和被破壞，另一方面容易隨著站內(nèi)設備改造驗收不到位產(chǎn)生漏洞。（2）誘捕，放置粘鼠板等捕獲小動物。該方法偶有捕獲但隱患難以根除。（3）驅趕，放置樟腦丸等進行驅趕。該方法短期內(nèi)有一定效果，隨著時間流逝，效果顯著下降。以上措施都存在過于被動，無法主動探測并告警，需要人力定期維護的缺點。

2 系統(tǒng)原理與設計

2.1 工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站端子箱小動物驅離方案，設計了一個針對端子箱小動物隱患的物聯(lián)網(wǎng)告警驅離系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主動驅離裝置、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關以及遠程監(jiān)視終端三部分組成。驅離裝置負責收集現(xiàn)場信息，發(fā)出驅離信號。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關作為現(xiàn)場中心，收集驅離裝置上送的信息并做出分析，整合上送到遠程監(jiān)視終端。該系統(tǒng)工作原理如圖1 所示，能對驅離裝置搭載的超聲波傳感器所收集的感知信息進行分析并上傳到物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關，實現(xiàn)運維人員的遠程監(jiān)視。同時，發(fā)出可變頻的超聲波及多照度的閃光，結合刺激性氣體使箱體內(nèi)小動物難以棲息，產(chǎn)生不適，實現(xiàn)多手段協(xié)同驅趕的效果。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站端子箱小動物驅離系統(tǒng)

2.2 主動驅離裝置設計

現(xiàn)場驅離裝置是整套方案的末端部分，既是現(xiàn)場信息的來源，又負責執(zhí)行聲光氣驅離。其設計框圖如圖2所示。該裝置以MCU 為核心，構件具體包括微處理單元、通訊模塊、超聲波探測模塊、音頻功放芯片、蜂鳴器、LED 等。

圖2 主動驅離裝置原理圖

（1）通訊。通訊上選用Zigbee 協(xié)議傳輸信號。Zigbee 協(xié)議其優(yōu)點在于編寫相對簡單，傳輸距離遠，可達3000m，其缺點在于傳輸速度慢，繞射能力差。如需傳輸視頻信號，可選用WIFI 協(xié)議，其優(yōu)點在于傳輸速度快，但同樣具有繞射能力差，傳輸距離短的缺點。

Zigbee 可以分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備三種類型。驅離裝置采用終端設備類型的Zigbee 模塊，具有加入和退出網(wǎng)絡的功能，并能發(fā)送和接收報文。而物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關將采用Zigbee 協(xié)調(diào)器，成為網(wǎng)絡的中心節(jié)點。本系統(tǒng)采用Digi 公司的XBee 模塊，它是一種基于Zigbee 協(xié)議的產(chǎn)品。

（2）小動物入侵檢測。小動物探測采用超聲波距離傳感器。對外界動物活動的探測，可選用PIR傳感器（即被動紅外傳感器）或超聲波傳感器，但PIR 傳感器是通過檢測紅外輻射確定動物活動與否，只適合檢測人等恒溫動物，而端子箱內(nèi)常見的壁虎作為變溫動物，發(fā)出的紅外輻射較弱且不固定，故不適合采用PIR傳感器。因此，該系統(tǒng)選用HC-SR04 超聲波距離傳感器來完成入侵檢測。當壁虎等小動物在端子箱內(nèi)活動時，超聲波探測器可檢測到距離變動，以此判定存在小動物活動。HC-SR04 傳感器的測距距離在2 ～400cm，測量角度在15°。其核心是2 個超聲波傳感器。1 個用作發(fā)射器，將電信號轉換為40kHz 超聲波脈沖，另一個接收器監(jiān)聽反射回來的脈沖，如果接收到，它將產(chǎn)生一個輸出脈沖，其寬度可用于確定脈沖傳播的距離。由于測量角度較小，該裝置采用4 路超聲波檢測來實現(xiàn)對空間的更全方位覆蓋。4路超聲波入侵掃描監(jiān)測功能實現(xiàn)方式如圖3，告警蜂鳴功能實現(xiàn)方式如圖4。

圖3 4 路超聲波入侵掃描監(jiān)測功能

圖4 告警蜂鳴功能實現(xiàn)方式

（3）聲光氣驅離。研究發(fā)現(xiàn)蚊子、蟑螂、老鼠等害蟲在22 ～55kHz 的聲波范圍內(nèi)比較敏感，這個頻段會使其內(nèi)分泌系統(tǒng)和生理功能會產(chǎn)生絮亂，從而起到驅趕和殺滅的效果。因此，本系統(tǒng)采用4 路超聲波發(fā)生器產(chǎn)生22 ～55kHz 的聲波，波段可調(diào)，實現(xiàn)四個方向驅離。在檢測到小動物入侵時，裝置將按設定頻率發(fā)出超聲波，同時通過LED 發(fā)出高照度閃光，結合內(nèi)置刺激性氣體模塊產(chǎn)生的刺激性氣味，使壁虎等小動物產(chǎn)生生理不適、受到驚嚇而逃離，實現(xiàn)對端子箱內(nèi)小動物的主動驅離。超聲波驅離功能實現(xiàn)方式如圖5，4 路高亮度閃光功能實現(xiàn)方式如圖6。

圖5 超聲波驅離功能實現(xiàn)方式（圖示1 路，裝置共4 路）

圖6 4 路高度亮度閃光功能實現(xiàn)方式

2.3 物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關設計

物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關是整套方案的核心，對現(xiàn)場提供Zigbee 和WIFI 模塊的接入，對外提供4G 移動網(wǎng)絡的接入。

功能上，一方面，需匯總現(xiàn)場驅離裝置的工作狀況，對上傳的數(shù)據(jù)進行綜合分析，判斷是否上送告警信號；另一方面，將判斷結果匯報遠程監(jiān)視終端，運維人員據(jù)此信息關注現(xiàn)場狀況，決定是否要到現(xiàn)場巡視。告警網(wǎng)關承擔著現(xiàn)場驅離設備和遠程監(jiān)視終端連接的樞紐職責，涉及多節(jié)點接入和通信協(xié)議轉換，本方案采用Arduino 開發(fā)板完成。告警網(wǎng)關業(yè)務框圖如圖7所示。

圖7 告警網(wǎng)關業(yè)務組成

告警驅離系統(tǒng)需要在Arduino 上搭建服務器，運行管理程序以控制各現(xiàn)場驅離裝置。Arduino 與XBee 之間的連接較簡單，通過自帶的串行接口向XBee 模塊寫入數(shù)據(jù)即可，前提是使用相關配置軟件X-CTU 配置好發(fā)送端和接收端的控制參數(shù)。本系統(tǒng)使用XBee 模塊的API數(shù)據(jù)傳輸模式。在與遠程監(jiān)視終端的連接上，使用了SIM7600E 通信模塊，該模塊是目前較為流行的4G LTE模塊，內(nèi)置多種網(wǎng)絡協(xié)議。

2.4 遠程監(jiān)視終端設計

遠程監(jiān)視終端主要利用現(xiàn)有的智能手機，利用登錄瀏覽器查看告警網(wǎng)關運行狀況的方法獲取告警信息和歷史記錄。

3 結語

本文設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站端子箱小動物驅離方案，搭建了集探測、驅離、告警、監(jiān)視功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)告警驅離系統(tǒng)，運用4 路超聲波傳感器探測小動物在箱體內(nèi)的活動，通過聲光氣多手段綜合驅離，并及時上送包含具體位置和時間的告警信號。在通信方面，搭建了現(xiàn)場驅離裝置、物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關、遠程監(jiān)視終端三者相互配合的樹狀通信網(wǎng)絡，利用低功耗、傳輸距離遠的Zigbee 通信協(xié)議完成信號傳輸。該套方案能精準檢測小動物活動，可以降低值班員巡檢的人力成本，有效提升現(xiàn)場設備運行的穩(wěn)定性。