溫 佳

（華北電力大學(xué) 北京 102206）

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN是一種新型的自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)群可以在任何時(shí)刻、任何區(qū)域無(wú)需基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，就可以快速組織一個(gè)自組織的、可自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置、管理和以多跳路徑傳遞數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。

與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN有不同的特點(diǎn)：傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有固定的基站，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接與基站通信，相互之間不直接通信，設(shè)計(jì)遵循“端到端”的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)；而WSN是以被監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)為中心[1]。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都處于平等地位，每個(gè)節(jié)點(diǎn)兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C(jī)兩種功能，不但感知數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)，還要參與路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)以及具有組織建立網(wǎng)絡(luò)的功能。

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展依賴于傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它們分別完成被測(cè)量的提取、傳輸和處理[2]。

早在20世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感器控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，人們把它歸結(jié)為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感控制器的相連，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。從20世紀(jì)末開始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無(wú)線技術(shù)連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成[3]。2009年1月，在美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬與美國(guó)工商領(lǐng)袖的“圓桌會(huì)議”上，IBM公司CEO提出“智慧地球”的概念，即把傳感網(wǎng)應(yīng)用在社會(huì)的各行各業(yè)中，這一想法得到了各屆的極大關(guān)注。隨后，歐洲以及日本均大力投資于無(wú)線傳感網(wǎng)的建設(shè)中。我國(guó)也加入了這一巨大浪潮，2009年8月7日，溫家寶總理在無(wú)錫就傳感網(wǎng)發(fā)表談話，提出“感知中國(guó)”的概念，吹響了我國(guó)向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)軍的沖鋒號(hào)角[4]。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）、傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

這些無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功能相同或不同，以Ad-hoc方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、處理器模塊(CPU、存儲(chǔ)器)、無(wú)線通信模塊(D/A轉(zhuǎn)換器、收發(fā)器)和供電模塊等組成。

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被探測(cè)對(duì)象的物理信息，并且將這些信息通過(guò)短程或遠(yuǎn)程的傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心進(jìn)行處理。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有智能功能，所以節(jié)點(diǎn)本身就可以實(shí)時(shí)處理采集到的現(xiàn)場(chǎng)被監(jiān)測(cè)物理量的信息。通過(guò)自主選擇最佳路由，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將采集到的信息傳送給sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)匯聚收到的信息后，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端監(jiān)控中心。

2 電力器具管理現(xiàn)狀

電力行業(yè)是一個(gè)裝備密集型產(chǎn)業(yè)，電力設(shè)備占電力企業(yè)資產(chǎn)的70%，是電力企業(yè)資產(chǎn)管理的主要內(nèi)容。電力器具管理尤為重要，管理內(nèi)容主要指的是檢查設(shè)備儀器運(yùn)行狀況、設(shè)備資料整理、配件庫(kù)存量統(tǒng)計(jì)、設(shè)備維修記錄、設(shè)備保養(yǎng)情況、設(shè)備借用情況和設(shè)備防盜等。

當(dāng)今電力器具管理主要存在的問(wèn)題有：設(shè)備種類繁多、設(shè)備價(jià)值高、存放地點(diǎn)分散、設(shè)備資料分散，難以做到賬物一一對(duì)應(yīng)，后續(xù)管理工作繁雜；配件數(shù)量繁多，庫(kù)存數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；盲目購(gòu)進(jìn)設(shè)備，重復(fù)采購(gòu)現(xiàn)象嚴(yán)重，需要制定合理的庫(kù)存計(jì)劃和采購(gòu)計(jì)劃。由于電力設(shè)備種類多，價(jià)值高，這些問(wèn)題的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致管理混亂，開銷增大，難以掌握庫(kù)存設(shè)備信息等情況。大量管理人員的存在使得不僅容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，而且加大了在人力方面的投資。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，在發(fā)電廠中發(fā)展新的設(shè)備管理技術(shù)已成了發(fā)電廠最重要的任務(wù)之一。這是因?yàn)?，發(fā)電廠電氣設(shè)備的安全運(yùn)行非常重要，任何意外故障都可能造成重大事故，停電會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的環(huán)境下尤為顯著，而設(shè)備本身是發(fā)電廠的貴重資產(chǎn)并消耗大量維護(hù)費(fèi)用。隨著國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)企業(yè)安全問(wèn)題的日益重視和監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)以及電力企業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，建立一套有效可靠的人員、設(shè)備監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)已成為許多電力系統(tǒng)企業(yè)管理的迫切要求之一。目前，我國(guó)大中型電廠及鄉(xiāng)鎮(zhèn)小電廠已大量裝備了安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，這些安全裝備的推廣應(yīng)用大大改善了我國(guó)電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)狀況。但是，目前電力企業(yè)還普遍存在工作人員管理困難，管理人員難以及時(shí)掌握工作人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對(duì)工作人員的搶救缺乏可靠信息，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，效果不理想[6]。

3 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的電力設(shè)備管理方面，下面將給出不同的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)。

3.1 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備調(diào)度管理

針對(duì)電力企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員多、設(shè)備多、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地大、不利于有線網(wǎng)絡(luò)布置、管理調(diào)度困難等問(wèn)題，WSN可有效減緩這一問(wèn)題。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布置WSN，只需在恰當(dāng)距離處放置WSN節(jié)點(diǎn)，形成覆蓋整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，再與傳輸網(wǎng)相連通至后臺(tái)監(jiān)控中心。

工作人員佩戴裝有記錄個(gè)人信息標(biāo)簽的工作帽，標(biāo)簽記錄進(jìn)出限制、考勤作業(yè)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控等多方面的管理信息。當(dāng)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，WSN會(huì)自動(dòng)讀取其工作帽上標(biāo)簽的信息，實(shí)時(shí)傳入后臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)出的有效識(shí)別和監(jiān)測(cè)監(jiān)控。在現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)設(shè)備上粘貼記錄其信息的標(biāo)簽，這樣通過(guò)WSN的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后臺(tái)總調(diào)度處即可隨時(shí)掌握該移動(dòng)設(shè)備的位置情況，便于統(tǒng)一調(diào)度設(shè)備運(yùn)作，提高效率。這樣可使管理系統(tǒng)充分體現(xiàn)“人性化、信息化和高度自動(dòng)化”，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電力系統(tǒng)的目標(biāo)，發(fā)生安全事故時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)立刻可以知道該作業(yè)面工作人員及其數(shù)量以及移動(dòng)設(shè)備的位置情況，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)和安全救護(hù)工作的高效運(yùn)作，如圖2所示。

3.2 電力局倉(cāng)庫(kù)進(jìn)出管理

我國(guó)現(xiàn)在的電力局倉(cāng)庫(kù)管理還是采用以人工管理為主的方式。人工管理存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、人為失誤、驗(yàn)貨核對(duì)困難等問(wèn)題，且用于向計(jì)算機(jī)傳送信息的U盤可能攜帶病毒，一旦感染系統(tǒng)，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰等不可預(yù)料的后果，將WSN應(yīng)用于此將會(huì)有效解決上述問(wèn)題。要求廠方在每件貨物上粘貼標(biāo)簽，上面記錄貨物信息，到貨時(shí)，只需要在卸貨的通道口設(shè)置小型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自動(dòng)讀取標(biāo)簽上記載的信息，并選擇合適的路徑傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需拆開商品的包裝并隔著一段距離掃瞄里面的貨物，從而避免了廠方由于裝箱錯(cuò)誤，或是數(shù)據(jù)盤信息錯(cuò)誤帶來(lái)的工作時(shí)間延誤。一般到貨通道都設(shè)置在自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)入口的附近，所以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的兼容可以直接將掃描過(guò)的貨物放入自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的傳送帶，根據(jù)操作人員的設(shè)定由操作機(jī)進(jìn)行指定垛堆的堆放，甚至可以拓展自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的功能。根據(jù)WSN所獲得的信息自動(dòng)判斷，并指定相應(yīng)類型的空垛堆。從而省去了搬運(yùn)人員整理、排序的工作，也可直接將到貨納入臨時(shí)管理庫(kù)中，使整個(gè)流程更加的緊密。

3.3 溫度濕度火情監(jiān)測(cè)管理

在電力器具倉(cāng)庫(kù)或作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，部署若干個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)環(huán)境溫度濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將選擇最佳路徑將采集到的信息傳送到sink節(jié)點(diǎn)，再由sink節(jié)點(diǎn)上的通信模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)送往后臺(tái)監(jiān)控中心，以便后臺(tái)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息。當(dāng)處于溫濕度不合理狀態(tài)時(shí)，WSN能立即監(jiān)測(cè)出來(lái)，向后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心即可調(diào)節(jié)倉(cāng)庫(kù)或作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)溫度濕度，防止由溫度過(guò)高引起的火災(zāi)發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電力器具管理系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了幾種應(yīng)用方案。這些方案可用來(lái)解決電力器具管理中人工管理耗時(shí)耗力、人工誤差大，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員設(shè)備流動(dòng)情況難于掌握，預(yù)防火災(zāi)等問(wèn)題。

1 Govinda R,Hellerstein J,Hong W,et al.The sensor network as a database.In:Technical Report 02-771,Los Angeles,CA,USA:University of Southern California,2002.

2 Chong Chee-yee,Kurnar S P.Sensornet works:evolution,opportunities,and challenges.In:Proceedings of the IEEE,2003,91(8)

3 李善倉(cāng)，張克旺.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

4 亞娟.國(guó)內(nèi)外傳感網(wǎng)發(fā)展見聞與感懷.特別報(bào)道.2010(1)：24～25

5 張少軍.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用.北京：中國(guó)電力出版社，2010

6 楊勝春，姚學(xué)武，文孝強(qiáng).基于RFID技術(shù)的電力企業(yè)人員及設(shè)備智能安全管理系統(tǒng).東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(6)：54～56