摘 要：本文簡(jiǎn)述了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念，提出了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，通過(guò)分布于電力鐵塔的無(wú)線傳感器和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了一個(gè)鐵塔及輸電線路的在線監(jiān)測(cè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型，并在此基礎(chǔ)上給出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其監(jiān)控平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：電力線監(jiān)測(cè)；ZigBee；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)日益增長(zhǎng)的電力需求，對(duì)電力部門的電力供應(yīng)質(zhì)量，尤其是穩(wěn)定性和不間斷性，提出了更高的要求。定期巡視輸電線路線是確保供電安全的重要手段之一，但在某些偏遠(yuǎn)山區(qū)、林地，人工巡線不便，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的安全隱患，這嚴(yán)重影響了輸電線路的安全。特別是近年來(lái)，冰雪災(zāi)害天氣頻繁侵襲輸電線路，導(dǎo)致鐵塔和輸電線路因覆冰原因受到嚴(yán)重?fù)p害。輕則線路跳閘，重則斷線倒塔，嚴(yán)重制約了電力系統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)展，進(jìn)而影響了社會(huì)生產(chǎn)和居民供電。傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)也難以覆蓋，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)正好能彌補(bǔ)這方面的缺陷。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

1.1 WSN（wireless sensor networks）

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network），是由許多在空間中分布的自動(dòng)裝置組成的一種無(wú)線通訊計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物）。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以微型傳感器節(jié)點(diǎn)為中心，節(jié)點(diǎn)通常是一種嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，集成了網(wǎng)絡(luò)終端和路由器的功能，執(zhí)行全新的信息獲取和處理模式?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)以及無(wú)線通信、協(xié)同合作等功能，其目的是感知、采集和處理覆蓋范圍內(nèi)所感知對(duì)象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶[1-2]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是屬于多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，涉及多種前沿技術(shù)，包括嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等，最早由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)于上世紀(jì)七十年代末開(kāi)始進(jìn)行研究。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由分布在各處的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和傳輸至傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)兩部分組成。

1.2 Zigbee

Zigbee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，由于具有低功耗、低成本、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、低復(fù)雜度快速、可靠和安全等特征，應(yīng)用日趨廣泛。它主要是2.4GHz頻段，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)。ZigBee技術(shù)主要面向低速率的應(yīng)用場(chǎng)景，主要分為20-250Kb/秒（2.4GHz的），40Kb/秒（915MHz的）和20Kb/秒（868MHz的）的三種數(shù)據(jù)速率。普通的兩節(jié)5號(hào)電池可以維持ZigBee節(jié)點(diǎn)工作半年到兩年時(shí)間，協(xié)議簡(jiǎn)單且無(wú)需專利費(fèi)，這也不同程度上減少了其開(kāi)發(fā)成本。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要包括三種功能設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)路由器（Router）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator），網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（End Device）。網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器屬于全功能設(shè)備（FFD），可以和同一網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備屬于簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD），只能和FFD進(jìn)行通信，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)收集工作。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹(shù)型和網(wǎng)型三種，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟韵嗷オ?dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，因此每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少有一個(gè)全功能設(shè)備（FFD）來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建立和協(xié)調(diào)。

ZigBee技術(shù)已獲得業(yè)界的認(rèn)可，ZigBee技術(shù)的低成本，低功耗和低速率，決定了將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力線監(jiān)控系統(tǒng)，將會(huì)有著良好的前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的目的就是依靠無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電力輸電線路和電力鐵塔等設(shè)備。用各種小型無(wú)線傳感器分布在設(shè)備和線路的各種不同的位置，并采集采樣各種數(shù)據(jù)信息，通過(guò)Zigbee技術(shù)組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸信息至各監(jiān)控服務(wù)器處理。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)上層管理軟件兩部分組成，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)群組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集對(duì)應(yīng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并通過(guò)射頻通信模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。計(jì)算機(jī)上層管理軟件部署在主機(jī)上，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存，一旦數(shù)據(jù)異常，還能根據(jù)提前設(shè)定的策略發(fā)出相應(yīng)的告警。無(wú)線傳感器子系統(tǒng)與上層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)依靠FFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)互聯(lián)。不同于RFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)FD設(shè)備節(jié)點(diǎn)功能相對(duì)復(fù)雜，可與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的RFD進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在此基礎(chǔ)上形成的多級(jí)FFD節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，可以應(yīng)用于更大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和更多有效節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景?；究梢允且慌_(tái)服務(wù)器，位于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的末端。FFD節(jié)點(diǎn)和基站之間，通過(guò)串口等接口相連。FFD節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的匯聚點(diǎn)，將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)整理后發(fā)送到基站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。若是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用戶要向傳感器發(fā)送指令，只需通過(guò)FFD節(jié)點(diǎn)分發(fā)到指定的傳感器節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

架空輸電線路的基本結(jié)構(gòu)利用不同的鐵塔中繼，將導(dǎo)線一級(jí)級(jí)的連接延伸。所有的鐵塔都會(huì)按照一定規(guī)律布置，無(wú)限接力傳輸也依賴這些鐵搭進(jìn)行短距離傳輸。每座塔在一組被稱為Zigbee網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)FFD設(shè)備將被安裝在中間，作為中央節(jié)點(diǎn)互為主備用。在鐵塔上和輸電線路上設(shè)置各種RDF設(shè)備的傳感器用于采集各種數(shù)據(jù)。

多個(gè)鐵塔形成多個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)共同組成一個(gè)區(qū)域，匯集所有的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。如圖1所示：

按照電力鐵塔的分布，基本的結(jié)構(gòu)為線型，帶狀網(wǎng)絡(luò)。雖然目前已有長(zhǎng)距離帶狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化協(xié)議，但整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率畢竟不高。為了提高網(wǎng)絡(luò)的效率和可靠性，我們可以擺脫電力線的束縛，用無(wú)線跨越鐵塔等級(jí)。

電力傳輸上有明確的等級(jí)觀念，各種不同電壓等級(jí)的電力傳輸線路必須使用不同高度不同結(jié)構(gòu)的鐵塔。各種電壓等級(jí)輸電線路互相并行、交叉或者穿越必須嚴(yán)格的在空間上保持一定的距離。但這個(gè)距離在無(wú)線傳輸?shù)念I(lǐng)域上可以視為相鄰。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)都已完善，都已組成較為完善的輸電網(wǎng)絡(luò)。因此，我們可以形成大規(guī)模的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，不以線路劃分來(lái)區(qū)分網(wǎng)絡(luò)而是以區(qū)域或片區(qū)來(lái)組成一個(gè)結(jié)構(gòu)更為合理的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。以各個(gè)變電站匯聚各片區(qū)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過(guò)光纖傳輸至數(shù)據(jù)處理中心來(lái)分析監(jiān)視采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.3 無(wú)線監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的功能

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源單元四部分組成：

監(jiān)視區(qū)域的信息將被數(shù)據(jù)采集單元采集。通用模塊包括溫度，濕度等，也包括WSN路由器/采集器一體化設(shè)備。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采集單元之后，會(huì)被傳輸?shù)教幚韱卧?，在這里對(duì)每個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，同步，定位，路由協(xié)議，管理功耗。設(shè)備支持多種接口，如RS-232、RJ-4，高性能的微型處理器也可以高效的處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理單元后會(huì)被送入傳輸單元，控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)這個(gè)單元進(jìn)行無(wú)線傳輸。

⑴環(huán)境監(jiān)測(cè)感應(yīng)器。用于對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，包括溫、濕度感應(yīng)器、風(fēng)速感應(yīng)器等。而這些感應(yīng)器又可分為越限感應(yīng)器和度量感應(yīng)器兩種。越限感應(yīng)器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，平時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù)，或者定時(shí)發(fā)送少量正常狀態(tài)的信號(hào)，一旦越限實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。而度量感應(yīng)器則定時(shí)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。多種感應(yīng)器搭配使用既可達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警的目的又可減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

⑵設(shè)備狀態(tài)感應(yīng)器。用于對(duì)鐵塔、輸電線路、瓷瓶等電力設(shè)施狀態(tài)的監(jiān)控。采用重力感應(yīng)器、拉力感應(yīng)器、電負(fù)荷感應(yīng)器、振幅感應(yīng)器等裝置對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防各種事故的發(fā)生。

⑶視頻圖像聲音多媒體監(jiān)視。由于視頻圖像或者聲音等都需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此并不適用于無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，但少量的經(jīng)過(guò)壓縮的照片和圖像等可以按需進(jìn)行采集。

2.4 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

針對(duì)多種檢測(cè)技術(shù)并存的情況，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)集中運(yùn)算處理成為了一個(gè)難題。但由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)在線檢測(cè)平臺(tái)對(duì)節(jié)約成本，合理有效的利用數(shù)據(jù)顯得尤為重要。這個(gè)檢測(cè)平臺(tái)由軟件和硬件兩部分組成，主要可以完成以下功能：數(shù)據(jù)檢測(cè)，數(shù)據(jù)將被采集傳輸集成，供用戶查詢記載分析。運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并有效的處理數(shù)據(jù)；報(bào)表統(tǒng)計(jì)，方便用戶提取日常報(bào)表，使用各種曲線，餅狀圖，柱狀圖去展示數(shù)據(jù)信息。通過(guò)對(duì)分布在各個(gè)電力桿塔上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集，匯聚到監(jiān)控中心，電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)分析處理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能自主完成組織維護(hù)功能，從而確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

⑴各類數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分類/分項(xiàng)采集：可以采集溫濕度、發(fā)熱量、風(fēng)速等信息；

⑵統(tǒng)計(jì)分析：監(jiān)測(cè)單元的年度、月度、每日、每小時(shí)乃至每分鐘的狀態(tài)曲線，生成報(bào)表，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析報(bào)表，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患；

⑶網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾恚夯跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)時(shí)更新和顯示設(shè)備間的信號(hào)強(qiáng)度和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息；

⑷提供用戶權(quán)限、密碼、系統(tǒng)參數(shù)配置等基本管理功能；

⑸根據(jù)用戶需求，提供GIS服務(wù)功能；

另外監(jiān)控中心還必須滿足以下的幾個(gè)條件：

⑴建立開(kāi)放性的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。利用Web服務(wù)提供的接口，將不同廠家不同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換并接收。

⑵建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)所有在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用。

⑶進(jìn)一步可建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，利用數(shù)據(jù)挖掘等智能技術(shù)來(lái)分析大量數(shù)據(jù)，來(lái)發(fā)現(xiàn)和探索潛藏的電力傳輸?shù)囊?guī)律、特性、隱患、缺陷等。

3 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電力傳感系統(tǒng)在滿足各項(xiàng)監(jiān)測(cè)要求的前提下，組網(wǎng)便捷、覆蓋區(qū)域廣和適用性高，并且擴(kuò)展升級(jí)潛力巨大。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是目前研究的熱點(diǎn)，但其目前還存在許多的問(wèn)題，如Zigbee網(wǎng)絡(luò)的容量限制、傳感器之間傳輸距離限制，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議效率低等。

本方案下一步的研究重點(diǎn)包括：多種無(wú)線傳輸協(xié)議的研究；多種監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和整合；高壓環(huán)境下設(shè)備的電磁兼容性；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能和安全機(jī)制；監(jiān)視管理平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集、分析、利用等。

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