福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化系 胡自強

1.引言

電力系統(tǒng)為社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展提供了必備不可少的重要保障，當前大多電力設(shè)備還是靠人為值守觀測進行安全管理，隨著電力系統(tǒng)的電力設(shè)備逐漸增多，單靠人工對電力設(shè)備安全的管理基本無法實現(xiàn)，如2008年南方地區(qū)的冰雪災(zāi)害90多個縣市電網(wǎng)中斷，大部分災(zāi)害地區(qū)的電力設(shè)備遭受不同程度的損害，造成了重大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失和人員傷亡。倘若能夠建立一套遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)，對分散在不同地理位置的電力設(shè)備的各種環(huán)境參數(shù)進行采集與分析，并給出相應(yīng)的預(yù)警，勢必減少電力系統(tǒng)在各種災(zāi)害中的損害。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wire1ess Sensor Networks簡稱WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過將大量低成本的微型傳感器節(jié)點按一定結(jié)構(gòu)或者完全隨機散布到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并通過無線通信技術(shù)構(gòu)成一個自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各個傳感器節(jié)點通過協(xié)同的工作方式來感知、采集和處理目標對象的各項信息，并通過網(wǎng)絡(luò)自帶的系統(tǒng)來分析處理采集到的數(shù)據(jù)信息，最后通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給觀察者，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時監(jiān)控，為觀察者做出決策提供必要的信息支持。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點成本低廉、體積微小且結(jié)構(gòu)相同，部署方便，同時又具備了信息采集和發(fā)布功能。

因此，本文設(shè)計與實現(xiàn)了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時對電力設(shè)備工作環(huán)境和各項指標進行遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)的人工巡查難于對分散電力設(shè)備因各種災(zāi)害導(dǎo)致的各種事故和現(xiàn)象進行提前預(yù)警處理等問題。

2.系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

（1）監(jiān)控對象

表2-1 電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控清單表

圖2-4 中央服務(wù)器與外圍電路連接示意圖

圖2-1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖

圖3-3 溫度數(shù)據(jù)接收流程示意圖

圖3-1 溫度監(jiān)控流程示意圖

圖2-2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-3 微處理器和傳感器SHT11的硬件連接示意圖

圖3-2 溫度采集流程示意圖

圖3-4 實現(xiàn)效果示意圖

電力系統(tǒng)的運行主要與電力設(shè)備的工作環(huán)境、電纜覆冰狀況以及各個電力設(shè)備的運行狀態(tài)密切相關(guān)，因此主要監(jiān)控的對象即為電力設(shè)備的工作環(huán)境、電力設(shè)施覆冰狀況、電力設(shè)備的運行狀態(tài)。如表2-1所示。

在整個需要監(jiān)控的范圍來看主要包括電力系統(tǒng)整體環(huán)境以及各種設(shè)備的環(huán)境、運行參數(shù)，具體分為模擬量和數(shù)字量的相關(guān)信息監(jiān)控。

（2）功能和技術(shù)需求

通常電力系統(tǒng)的各種電力設(shè)備分布在不同地點，并處于自動運行狀態(tài)。作為安全營運管理，需要對電力系統(tǒng)的各種設(shè)備實時監(jiān)控各種指標，具體來說要對各種設(shè)備達到表2-1所列指標進行實時采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閥值對比監(jiān)控，如對電力設(shè)備作業(yè)環(huán)境的溫度、濕度根據(jù)設(shè)備開關(guān)狀態(tài)劃分A、B、C3種等級，每種等級設(shè)定其閥值范圍。為此，在技術(shù)上，借助無線傳感器對前端相關(guān)對象數(shù)據(jù)信息進行以及傳送到監(jiān)控中心進行處理，監(jiān)控中心選用ARM作為主要處理器，這樣避免增加顯示設(shè)備，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳入互聯(lián)網(wǎng)，進而為管理人員實時監(jiān)控和處理提供接口。

2.2 系統(tǒng)整體方案與體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)對電力系統(tǒng)監(jiān)控的需求分析，系統(tǒng)整體方案采用基于3G網(wǎng)絡(luò)、ARM嵌入式服務(wù)器和Zigbee的電力系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)，具體體系結(jié)構(gòu)分為：Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、中央ARM服務(wù)器、基于3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)收集轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和用戶終端四個部分，如圖2-1所示。

Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過傳感節(jié)點負責(zé)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集，并通過協(xié)調(diào)器將采集數(shù)據(jù)上傳到Arm嵌入式中央服務(wù)器進行相應(yīng)的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)暫存；通過3G網(wǎng)絡(luò)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器進而發(fā)送到用戶終端，實現(xiàn)環(huán)境的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)的準確傳輸顯示。

2.3 部分硬件電路設(shè)計

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在整個系統(tǒng)中是負責(zé)原始數(shù)據(jù)采集以及各種執(zhí)行器控制作用，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部分。為了節(jié)約成本和降低功耗，簇內(nèi)節(jié)點采用精簡功能設(shè)備組建，無路由功能，只能與中央?yún)f(xié)調(diào)器（簇頭）通信，結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。

（2）微處理器模塊

微處理器模塊的主要負責(zé)采集到的數(shù)據(jù)處理、存儲以及控制無線通信。本文采用CC2530芯片來實現(xiàn)微處理器功能。

微處理器和傳感器SHT11的硬件連接圖如圖2-3所示。

（3）ARM中央服務(wù)器

ARM中央服務(wù)器在整個系統(tǒng)中起到測量數(shù)據(jù)的存儲、內(nèi)部傳輸和發(fā)送到服務(wù)器的通信的作用。本設(shè)計采用S3C2430芯片來實現(xiàn)，整個中央服務(wù)器與外圍電路連接圖如下圖2-4所示。

限于篇幅，外圍電路連接就不在闡述。

3.系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 實現(xiàn)方法

本系統(tǒng)采用IRA systems運行編程。下面著重介紹一下通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集和處理的實現(xiàn)方法，圖3-1是系統(tǒng)實現(xiàn)溫度監(jiān)控的流程，圖3-2是實現(xiàn)為溫度數(shù)據(jù)的采集流程圖，圖3-3是實現(xiàn)為溫度數(shù)據(jù)的接收流程圖。

3.2 實現(xiàn)效果

系統(tǒng)實現(xiàn)效果如圖3-4所示，點擊上一節(jié)點和下一節(jié)點可以實時監(jiān)控到不通節(jié)點的電力設(shè)備運行狀況。

4.結(jié)束語

本文圍繞基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電力設(shè)備安全的遠程監(jiān)控展開研究，給出了總體方案，限于篇幅，沒有附上相關(guān)所有的設(shè)計電路以及源代碼。經(jīng)試驗，監(jiān)控效果良好，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源供給問題還難于解決，也是本研究課題在未來一段時間進一步探索的方向。

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