陸卓淵，陳達(dá)

（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(niǎo)、貓、老鼠、壁虎等小動(dòng)物樂(lè)于棲息的地方，隨著無(wú)人值守模式的推行，變電站小動(dòng)物隱患日益突出。小動(dòng)物進(jìn)入站內(nèi)帶電設(shè)備區(qū)將導(dǎo)致短路、跳閘事故的發(fā)生，破壞了設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，對(duì)電力設(shè)備的持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了威脅，增加了運(yùn)行人員的維護(hù)壓力。其中，變電站端子箱小動(dòng)物隱患較為常見(jiàn)，又存在造成直流接地、二次回路短路進(jìn)而設(shè)備跳閘等嚴(yán)重危害性，隱患發(fā)生概率高、危害程度大的雙重特點(diǎn)使其成為變電站防小動(dòng)物管理的重點(diǎn)關(guān)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(dòng)物驅(qū)離方案。

1 現(xiàn)狀分析

變電站內(nèi)小動(dòng)物活動(dòng)具有隨機(jī)性、長(zhǎng)期性、復(fù)雜性，難以采用主動(dòng)措施將其徹底清除。目前防小動(dòng)物管理采用的方法主要有：（1）多層級(jí)封堵，隔離站內(nèi)站外、箱內(nèi)箱外通道，避免小動(dòng)物進(jìn)入端子箱。該方法防護(hù)較為完整，但封堵措施一方面會(huì)老化和被破壞，另一方面容易隨著站內(nèi)設(shè)備改造驗(yàn)收不到位產(chǎn)生漏洞。（2）誘捕，放置粘鼠板等捕獲小動(dòng)物。該方法偶有捕獲但隱患難以根除。（3）驅(qū)趕，放置樟腦丸等進(jìn)行驅(qū)趕。該方法短期內(nèi)有一定效果，隨著時(shí)間流逝，效果顯著下降。以上措施都存在過(guò)于被動(dòng)，無(wú)法主動(dòng)探測(cè)并告警，需要人力定期維護(hù)的缺點(diǎn)。

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站端子箱小動(dòng)物驅(qū)離方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)端子箱小動(dòng)物隱患的物聯(lián)網(wǎng)告警驅(qū)離系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主動(dòng)驅(qū)離裝置、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及遠(yuǎn)程監(jiān)視終端三部分組成。驅(qū)離裝置負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場(chǎng)信息，發(fā)出驅(qū)離信號(hào)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為現(xiàn)場(chǎng)中心，收集驅(qū)離裝置上送的信息并做出分析，整合上送到遠(yuǎn)程監(jiān)視終端。該系統(tǒng)工作原理如圖1 所示，能對(duì)驅(qū)離裝置搭載的超聲波傳感器所收集的感知信息進(jìn)行分析并上傳到物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員的遠(yuǎn)程監(jiān)視。同時(shí)，發(fā)出可變頻的超聲波及多照度的閃光，結(jié)合刺激性氣體使箱體內(nèi)小動(dòng)物難以棲息，產(chǎn)生不適，實(shí)現(xiàn)多手段協(xié)同驅(qū)趕的效果。

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

2.2 主動(dòng)驅(qū)離裝置設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)離裝置是整套方案的末端部分，既是現(xiàn)場(chǎng)信息的來(lái)源，又負(fù)責(zé)執(zhí)行聲光氣驅(qū)離。其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。該裝置以MCU 為核心，構(gòu)件具體包括微處理單元、通訊模塊、超聲波探測(cè)模塊、音頻功放芯片、蜂鳴器、LED 等。

圖2 主動(dòng)驅(qū)離裝置原理圖

（1）通訊。通訊上選用Zigbee 協(xié)議傳輸信號(hào)。Zigbee 協(xié)議其優(yōu)點(diǎn)在于編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)3000m，其缺點(diǎn)在于傳輸速度慢，繞射能力差。如需傳輸視頻信號(hào)，可選用WIFI 協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。

Zigbee 可以分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備三種類(lèi)型。驅(qū)離裝置采用終端設(shè)備類(lèi)型的Zigbee 模塊，具有加入和退出網(wǎng)絡(luò)的功能，并能發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文。而物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關(guān)將采用Zigbee 協(xié)調(diào)器，成為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。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(dòng)物入侵檢測(cè)。小動(dòng)物探測(cè)采用超聲波距離傳感器。對(duì)外界動(dòng)物活動(dòng)的探測(cè)，可選用PIR傳感器（即被動(dòng)紅外傳感器）或超聲波傳感器，但PIR 傳感器是通過(guò)檢測(cè)紅外輻射確定動(dòng)物活動(dòng)與否，只適合檢測(cè)人等恒溫動(dòng)物，而端子箱內(nèi)常見(jiàn)的壁虎作為變溫動(dòng)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(lái)完成入侵檢測(cè)。當(dāng)壁虎等小動(dòng)物在端子箱內(nèi)活動(dòng)時(shí)，超聲波探測(cè)器可檢測(cè)到距離變動(dòng)，以此判定存在小動(dòng)物活動(dòng)。HC-SR04 傳感器的測(cè)距距離在2 ～400cm，測(cè)量角度在15°。其核心是2 個(gè)超聲波傳感器。1 個(gè)用作發(fā)射器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為40kHz 超聲波脈沖，另一個(gè)接收器監(jiān)聽(tīng)反射回來(lái)的脈沖，如果接收到，它將產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖，其寬度可用于確定脈沖傳播的距離。由于測(cè)量角度較小，該裝置采用4 路超聲波檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的更全方位覆蓋。4路超聲波入侵掃描監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)方式如圖3，告警蜂鳴功能實(shí)現(xiàn)方式如圖4。

圖3 4 路超聲波入侵掃描監(jiān)測(cè)功能

圖4 告警蜂鳴功能實(shí)現(xiàn)方式

（3）聲光氣驅(qū)離。研究發(fā)現(xiàn)蚊子、蟑螂、老鼠等害蟲(chóng)在22 ～55kHz 的聲波范圍內(nèi)比較敏感，這個(gè)頻段會(huì)使其內(nèi)分泌系統(tǒng)和生理功能會(huì)產(chǎn)生絮亂，從而起到驅(qū)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(shí)現(xiàn)四個(gè)方向驅(qū)離。在檢測(cè)到小動(dòng)物入侵時(shí)，裝置將按設(shè)定頻率發(fā)出超聲波，同時(shí)通過(guò)LED 發(fā)出高照度閃光，結(jié)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(dòng)物產(chǎn)生生理不適、受到驚嚇而逃離，實(shí)現(xiàn)對(duì)端子箱內(nèi)小動(dòng)物的主動(dòng)驅(qū)離。超聲波驅(qū)離功能實(shí)現(xiàn)方式如圖5，4 路高亮度閃光功能實(shí)現(xiàn)方式如圖6。

圖5 超聲波驅(qū)離功能實(shí)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(shí)現(xiàn)方式

2.3 物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關(guān)是整套方案的核心，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提供Zigbee 和WIFI 模塊的接入，對(duì)外提供4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接入。

功能上，一方面，需匯總現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)離裝置的工作狀況，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷是否上送告警信號(hào)；另一方面，將判斷結(jié)果匯報(bào)遠(yuǎn)程監(jiān)視終端，運(yùn)維人員據(jù)此信息關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)狀況，決定是否要到現(xiàn)場(chǎng)巡視。告警網(wǎng)關(guān)承擔(dān)著現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)離設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)視終端連接的樞紐職責(zé)，涉及多節(jié)點(diǎn)接入和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，本方案采用Arduino 開(kāi)發(fā)板完成。告警網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)框圖如圖7所示。

圖7 告警網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)組成

告警驅(qū)離系統(tǒng)需要在Arduino 上搭建服務(wù)器，運(yùn)行管理程序以控制各現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)離裝置。Arduino 與XBee 之間的連接較簡(jiǎn)單，通過(guò)自帶的串行接口向XBee 模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可，前提是使用相關(guān)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(yuǎn)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(luò)協(xié)議。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)視終端設(shè)計(jì)

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

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站端子箱小動(dòng)物驅(qū)離方案，搭建了集探測(cè)、驅(qū)離、告警、監(jiān)視功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)告警驅(qū)離系統(tǒng)，運(yùn)用4 路超聲波傳感器探測(cè)小動(dòng)物在箱體內(nèi)的活動(dòng)，通過(guò)聲光氣多手段綜合驅(qū)離，并及時(shí)上送包含具體位置和時(shí)間的告警信號(hào)。在通信方面，搭建了現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)離裝置、物聯(lián)網(wǎng)告警網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程監(jiān)視終端三者相互配合的樹(shù)狀通信網(wǎng)絡(luò)，利用低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)的Zigbee 通信協(xié)議完成信號(hào)傳輸。該套方案能精準(zhǔn)檢測(cè)小動(dòng)物活動(dòng)，可以降低值班員巡檢的人力成本，有效提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。