孫媛媛，許 剛，朱 文，劉楊濤

（1.山東大學，山東濟南 250101；2.山東科華電力技術有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

無線ZigBee 技術是通過物聯(lián)網信息采集的一種新方式，具有低延時、穩(wěn)定可靠、網絡傳輸容量大、安全可靠等特點，可以利用無線傳感器對監(jiān)測范圍內的環(huán)境信息進行采集，有效發(fā)現(xiàn)問題并進行準確定位，提升智能化管理水平，該技術已經成為國內外智能化管理領域的研究熱點[1]。

無線ZigBee 技術在智能家居、環(huán)境監(jiān)控等方面應用廣泛，借助電子傳感器技術取代人工在惡劣環(huán)境下的電纜隧道進行環(huán)境監(jiān)測，提升電纜隧道內的監(jiān)控效率。國內智慧電網發(fā)展雖取得一定成績，但與發(fā)達國家相比仍存在一定差距。無線ZigBee 技術在智慧電網建設中的應用，可以實現(xiàn)對電纜隧道環(huán)境的信息采集，確保電纜線路安全運行。

1 無線ZigBee 技術特性評價

1.1 低功耗

無線ZigBee 技術結構簡單，具有特殊的電源管理模式，功率消耗較低，網絡中的節(jié)點工作周期很短，大部分時間處于休眠狀態(tài)。傳感器控制數據每隔一段時間需要發(fā)送一次，發(fā)射功率僅為1 mW，能夠有效延長設備的工作時間，使用2 節(jié)5 號電池可以維持工作5 年以上。無線ZigBee 技術的低功耗模式可以確保設備運行的穩(wěn)定性，不用頻繁更換電池或充電，尤其對于大范圍的電纜線路監(jiān)控管理方面，較低的投入成本和維護成本可以有效提升無線ZigBee 技術的應用范圍[2]。

1.2 低速率

無線ZigBee 技術適用于低速率無線傳輸領域。在數據傳輸過程中需要進行加密、解密和信道沖突監(jiān)測，因此需要降低傳輸速率。通常情況下，無線ZigBee 數據傳輸速率為10～250 kb/s，較低的傳輸速率可以帶來更快的響應速度，從休眠到激活只需要15 ms，設備信道接入網絡的時間僅為30 ms，延時短、能耗低。因此，無線ZigBee 技術適用于復雜工況下的電纜隧道監(jiān)控與管理，并且對能耗要求較嚴格的無線控制應用。

1.3 公開兼容性

無線ZigBee 技術具有公開的網絡開發(fā)環(huán)境，擁有良好的兼容性，能讓所有的ZigBee 芯片產品都可以進行交互，在協(xié)議和應用層面上進行有效規(guī)范?；跓o線ZigBee 技術的智慧電纜通道預警系統(tǒng)組網成本低、建設周期短、維護量小、無需人力檢查線路，有效降低了投資成本和維護成本，在組建無線通信網絡方面據有非常顯著的優(yōu)勢[3]。伴隨著更多芯片生產商不斷出新產品，其價格將更具優(yōu)勢，無線ZigBee 技術的成本也會更低，應用范圍將進一步擴大。

2 無線ZigBee 技術網絡設計

2.1 設備類型

無線ZigBee 技術中使用的設備包括協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器是整個無線ZigBee 網絡中的主控制器，負責建立網絡和維護，對加入的設備進行地址分配和維護綁定。一個無線ZigBee 網絡只能存在一個協(xié)調器，且只能由全功能設備充當協(xié)調器，確保無線網絡中各個設備之間的正常通信。路由器主要是負責維護網絡路徑、搜索設備加入網絡和數據傳輸，全功能設備也可以充當路由器，無線ZigBee 網絡中路由器受到網絡中協(xié)調器的控制，雖然路由器相對協(xié)調功能較弱，無需占用較多的計算空間和內存地址。

2.2 網絡拓撲結構

無線ZigBee 網絡拓撲結構可以分為星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲（圖1）。

圖1 ZigBee 網絡拓撲結構

（1）星形拓撲結構是ZigBee 網絡的基礎拓撲結構，包含一個中央協(xié)調器節(jié)點和多個終端節(jié)點。終端節(jié)點與中央協(xié)調器之間有唯一的通信路徑，協(xié)調器的通信狀態(tài)影響著整個星形網絡通信質量，終端節(jié)點之間無法直接進行信息傳輸。

（2）樹形拓撲結構包含一個協(xié)調器節(jié)點以及多個路由器和終端節(jié)點。該結構中協(xié)調器可以和多個路由及終端節(jié)點相連接，其子節(jié)點的路由也可以繼續(xù)延伸與其他路由和終端節(jié)點相連接，通過延伸和疊加形成樹形拓撲結構。該結構中終端節(jié)點之間需要通過路由進行通信連接，信息傳輸路徑通過協(xié)議棧層進行處理。

（3）網狀拓撲結構包含一個協(xié)調器節(jié)點和多個路由節(jié)點以及終端節(jié)點。與樹形拓撲結構類似，網狀拓撲結構中協(xié)調器可以和多個路由和終端節(jié)點相連接并且網具有更加靈活的通信路徑，各個路由節(jié)點之間可以實現(xiàn)信息的接收和轉發(fā)。網狀拓撲結構可以有效提升各個節(jié)點之間的通信效率，而且靈活的通信路徑可以確保某一個路由路徑發(fā)生異常時，信息還可以使用其他路由進行傳輸[4]。

3 電纜通道預警系統(tǒng)的設計

基于無線ZigBee 技術的智慧電纜通道預警系統(tǒng)，可以對電纜隧道內的環(huán)境和電纜運行的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當監(jiān)測到某一項環(huán)境因素或者電纜運行狀態(tài)信息出現(xiàn)偏差時，可以通過用戶端下達控制指令，幫助控制室進行狀態(tài)分析和診斷，及時進行維護管理，使環(huán)境參數和電纜狀態(tài)恢復正常，實現(xiàn)電網智能化管理。該系統(tǒng)采用網狀拓撲結構，各個節(jié)點之間保持對等關系。

3.1 硬件結構設計

電纜隧道預警系統(tǒng)的硬件結構包括傳感器、數據采集器、控制器和ZigBee 網絡。硬件結構設計要求簡單、可靠，易于擴展和維護。傳感器位于電纜隧道的各個監(jiān)測位點，包括溫度傳感器、煙霧傳感器和適度傳感器，負責對電纜隧道內線路的溫度、電流、環(huán)境等數據進行實時采集；數據采集器負責將監(jiān)測位點傳感器輸出的信息進行A/D 轉換，然后將這些信息傳輸給控制器進行分析處理；控制器主要負責對電纜隧道的各項監(jiān)測數據深度處理，現(xiàn)實電纜隧道傳感器的方位信息以及電纜隧道內線路的實時狀態(tài)；ZigBee 技術構成的網絡可以實現(xiàn)短距離、低功率的數據的傳輸。

3.2 無線模塊電路設計

系統(tǒng)無線模塊是由電源電路、單片機、串口通信電路、外部儲存電路、溫度采集電路以及顯示電路組成。晶體振蕩器工作頻率為32 MHz，為無線模塊提供時鐘；溫度采集傳感器能夠長期穩(wěn)定運行，溫度測量范圍-40～+120 ℃，測量精度±0.5 ℃，測量分辨率0.01 ℃；濕度測量范圍0%RH～100%RH，測量精度±4.5%RH，測量分辨率0.03%RH。

3.3 軟件設計

軟件系統(tǒng)采用分層、分布式結構設計，劃分為應用層、平臺層、網絡層和感知層4 個部分，網絡構架如圖2 所示。應用層負責在線監(jiān)測管理、生產準備及驗收、狀態(tài)評估管理、檢修與試驗管理、電纜及通道管理、帶電檢測、缺陷管理、巡視管理、保電管理、故障管理、應急管理等內容。平臺層是電力企業(yè)的業(yè)務系統(tǒng)，主要進行數據分析、數據調度服務，實現(xiàn)電網系統(tǒng)的數據共享，為客戶提供相應的服務。網絡層包括VPN 專網、電力光纖和生產電力專網。感知層包括所有的數據采集模塊，如電纜通道視頻監(jiān)控、設備狀態(tài)監(jiān)測、消防監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等?；跓o線ZigBee技術的智慧電纜通道預警系統(tǒng)利用對應的時序周期讀取與之相連的傳感器，確保傳感器數據的實時更新。受到邊緣網關的查詢指令時，將傳感器采集到的數據信息上報給邊緣網關。

圖2 電纜通道預警系統(tǒng)網絡架構

4 結束語

電力企業(yè)是經濟發(fā)展中的重要支柱型產業(yè)，在國家經濟快速發(fā)展的大背景下，用電需求與日俱增，電力設施運行的穩(wěn)定性成為人們關注的焦點。為提升電力供應的穩(wěn)定性和安全性，采用無線ZigBee 技術進行組網通信建構電纜隧道預警系統(tǒng)，對電纜隧道內的環(huán)境檢測參數進行采集、傳輸并進行分析處理，可以實現(xiàn)對突發(fā)電纜故障的實時監(jiān)控、預警、定位和應急處理。