牛 鑫，崔宗超，房澤平

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南濟(jì)源 459000;2.中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，河南鄭州 450007)

0 引言

溫度是電力系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)，因高壓線路長(zhǎng)期經(jīng)受用電負(fù)荷、日曬雨淋、冷熱變化等外部因素作用，會(huì)導(dǎo)致高壓線路溫度發(fā)生異常變化，溫度的異常升高不僅會(huì)使系統(tǒng)的性能下降而且可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備的損壞，從而影響電力系統(tǒng)的正常工作。高壓線路的溫度有線監(jiān)測(cè)方式由于受電磁干擾、信號(hào)衰減、布線不便等多種因素限制，并且隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，其取代有線監(jiān)測(cè)方式的趨勢(shì)毋庸置疑［1］。因此，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)區(qū)域高壓線路的溫度信息，及時(shí)消除安全隱患，同時(shí)減少傳統(tǒng)的人工巡檢方式帶來(lái)的繁重的勞動(dòng)量，本文設(shè)計(jì)了一套可實(shí)現(xiàn)高壓線路溫度測(cè)量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于圖形化編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓線路溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量、無(wú)線傳輸、處理和運(yùn)行狀態(tài)分析等功能。

1 高壓線路溫度測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)、GPRS無(wú)線收發(fā)模塊、Sink節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)(LabVIEW)等組成，傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在被測(cè)區(qū)域的高壓線路上。Sink節(jié)點(diǎn)具有與傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信的無(wú)線收發(fā)模塊和GPRS模塊，Sink節(jié)點(diǎn)安裝在就近區(qū)域的高壓線路鐵架上，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)模塊傳輸至Sink節(jié)點(diǎn)，再由GPRS模塊收發(fā)后通過(guò)RS－232串口將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的LabVIEW軟件進(jìn)行顯示、處理和分析溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、虛擬儀器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、強(qiáng)大的圖形化編程軟件和模塊化硬件于一體，建立靈活且以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的無(wú)線測(cè)量及監(jiān)視系統(tǒng)。

2 無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)由溫度測(cè)量模塊、MSP430單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)模塊組成，如圖2所示。溫度測(cè)量采用數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20，利用MSP430單片機(jī)進(jìn)行溫度信息的采集和處理，處理后的高壓線路溫度信息經(jīng)無(wú)線收發(fā)模塊傳輸，無(wú)線收發(fā)模塊采用nRF2401芯片。該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量及無(wú)線傳輸，其溫度測(cè)量模塊電路簡(jiǎn)單，MSP430單片機(jī)具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，采用電池就能滿足供電需求。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)溫系統(tǒng)

圖2 無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

2.1 測(cè)溫模塊

該模塊采用DALLAS公司的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它具有功耗低、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、1－Wire單總線制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量溫度的系統(tǒng)。溫度測(cè)量范圍為－55～125℃，具有可編程的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，可根據(jù)應(yīng)用需要在9～12 bit選取，可以滿足對(duì)高壓線路溫度測(cè)量的范圍和精度要求。由于DS18B20采用單總線結(jié)構(gòu)，因此，與CPU的接口僅需要兩個(gè)雙向I/O引腳(分別對(duì)單線進(jìn)行讀和寫(xiě)的操作)和一個(gè)外部上拉電阻;供電電壓范圍是3.3～5 V，適合用于低功耗微處理器;在750 ms以內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。DS18B20與MSP430F123的接口如圖3所示，由于DS18B20采用1－Wire單總線形式，通過(guò)該總線對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)操作，因此，利用74LVC244作為輸入/輸出緩沖接口。P2.5通過(guò)74LVC244的17引腳和3引腳對(duì)DS18B20進(jìn)行寫(xiě)操作;P1.3通過(guò)74LVC244的18引腳和2引腳對(duì)DS18B20進(jìn)行讀操作［2］。

圖3 DS18B20與MSP430F123的接口電路圖

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊主要包括MSP430F123和nRF2401，如圖4所示。系統(tǒng)采用電池供電，為滿足低功耗設(shè)計(jì)要求，無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)模塊采用諾迪克(NORDIC)公司的單片射頻收發(fā)芯片nRF2401。nRF2401工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。在以－5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5 mA;接收時(shí)，工作電流只有18 mA;具有收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式，多種功耗工作模式適合節(jié)能設(shè)計(jì)的需要。nRF2401支持多點(diǎn)通信，最高傳輸速率達(dá)2 Mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高速大量數(shù)據(jù)通信提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 Sink節(jié)點(diǎn)

圖4 nRF2401與MSP430F123的接口電路圖

Sink節(jié)點(diǎn)是溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)與編程軟件LabVIEW之間信息交換的特殊節(jié)點(diǎn)。無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳輸至Sink節(jié)點(diǎn)后，再經(jīng)由Sink節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，由LabVIEW進(jìn)行接收處理。Sink節(jié)點(diǎn)可以將接收的溫度值上傳至計(jì)算機(jī)，同時(shí)也將計(jì)算機(jī)的命令下傳輸至各個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。單片機(jī)通過(guò)該節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取溫度值，再由LabVIEW完成對(duì)高壓線路溫度的處理、設(shè)置特定功能及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建等［3－4］。

4 GPRS模塊

圖5 Sink節(jié)點(diǎn)

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端、廣域的無(wú)線IP連接。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、可靠性高、收費(fèi)低廉等特點(diǎn)，可以廣泛用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)［5］。

參照?qǐng)D1和圖5，GPRS模塊完成Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)傳輸至監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)(Labview)的功能。GPRS模塊與計(jì)算機(jī)之間采用RS－232串行接口。系統(tǒng)中使用的GPRS模塊為SIM300C，SIM300C模塊內(nèi)部集成了GSM控制器、TCP/IP協(xié)議，同時(shí)提供了2個(gè)串口等。該模塊提供GSM語(yǔ)音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，支持RS－232異步串行通信，啟動(dòng)默認(rèn)設(shè)置是: 19 200 b/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位。

5 基于LabVIEW的WSN監(jiān)控軟件

該監(jiān)控軟件采用NI公司的LabVIEW7.0編制實(shí)現(xiàn)，該軟件具有豐富的模塊庫(kù)，可以方便地組成需要的虛擬面板，還可以方便地進(jìn)行修改。與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言不同，LabVIEW采用了強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言編程，編程非常方便，適合于測(cè)試工程師而非專(zhuān)業(yè)程序員，人機(jī)交互界面友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，適合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

5.1 監(jiān)控軟件組成

該軟件主要包括VISA串行通信配置、數(shù)據(jù)采集命令、溫度數(shù)據(jù)接收與解析處理、數(shù)據(jù)保存EXCEL與報(bào)警處理模塊等［6］，其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。主要模塊的功能設(shè)置如下:

1)溫度數(shù)據(jù)保存:保存監(jiān)測(cè)區(qū)域各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高壓線路溫度數(shù)據(jù)及記錄時(shí)間，實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)是否正常，并轉(zhuǎn)成電子表格格式保存為EXCEL文件;

2)VISA配置模塊:設(shè)置系統(tǒng)的通信信息，如串口號(hào)、接收數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和通信超時(shí)等;

3)采集控制模塊:選擇被測(cè)節(jié)點(diǎn)。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)框圖

5.2 監(jiān)控軟件運(yùn)行結(jié)果界面

根據(jù)要求，可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)選擇按鈕選擇被監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，且被監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)保存至Excel文件中，Excel文件由用戶指定，如圖7所示。

圖7 監(jiān)控軟件運(yùn)行結(jié)果界面

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用無(wú)線方式傳輸高壓線路溫度數(shù)據(jù)的采集方式，克服了有線傳輸布線不方便的不足，具有無(wú)需布線和不必設(shè)置工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源的優(yōu)點(diǎn)。采用基于LabVIEW編寫(xiě)的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓線路溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)字化采集、處理和分析。利用該系統(tǒng)，可以及時(shí)地掌握高壓線路的溫度分布，采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，從而避免高壓線路發(fā)生故障，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí)該系統(tǒng)采用的無(wú)線自動(dòng)巡檢高壓線路方式取代人工巡檢方式，改進(jìn)了高壓線路的巡檢工作，減少了巡檢工人的工作量，改善了電力系統(tǒng)工人的工作條件，因而可以被廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域。

［1］李軍，卞超，吳珺.電力電纜光纖光柵測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.江蘇電機(jī)工程，2005，24(1):6－8.

［2］王建勛，周青云.基于DS18B20和LabVIEW的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(3):47－50.

［3］房澤平.基于雙MCU和nRF2401的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30(8):25－27.

［4］李永戰(zhàn)，馮仁劍，薛皓，等.基于虛擬儀器的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(7):32－35.

［5］王翥，郝曉強(qiáng)，魏德寶.基于WSN和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(1):48－50.

［6］彭慶華.虛擬儀器軟件LabVIEW的串行口通信編程［J］.自動(dòng)化儀表，2002，23(3):31－34.