基于无线传感器网络的电力线杆塔监测系统的研究

    叶德昌　郁炜　祝永华

    

    摘 要：为便于高压线路和电力塔提前维护和更好的使用，构建了一个基于ZigBee技术的无线传感器网络，通过节点、自身电路和协议，实现数据包快速有效的延伸和接力传输。文章设计的电力塔远程监测系统包含监测网络的网络结构、通信协议、传感器节点入网与数据收发等几个关键技术。

    关键词：无线传感器网络；远程监测；高压线路；电力塔

    高压线路和电力塔是远程电能输送的关键设施，但由于人力和自然的损坏等不确定因素的影响，电力传输的过程可能会被中断，然而电力公司由于无法提前确定供电电缆是否会断裂、断裂的具体位置，采用传统的方法查找耗时耗力，并且延误抢修时刻，往往会造成巨大经济损失。为解决这类社会问题，就必须能够检测供电系统运行状态的温度、湿度等于电缆状态紧密相关的数据，同时能够把这些数据实时传输到供电管理部分的控制中心，因此，建立一个无线网络的电力塔实时监测系统十分必要。本文采用ZigBee技术中的无线传感器网络，针对高压输电线路、以及中继传输的电力塔上的温度、湿度等相关重要数据，建立一个传感监测网络系统。主要包括传感器节点入网和数据收发等几个关键技术的理论和应用研究。

    1 电力塔监测系统整体结构

    电力传输线杆塔监测系统整体结构由无线节点、无线网关部分（sink节点）、Internet或GPRS/GSM网络接口、上位机等组成。其中可分为以下模块：

    ⑴主控制模块设计：它包括振荡器电路，编程接口电路，故障诊断电路以及状态指示电路等几部分组成。

    ⑵传感器节点无线模块：通过ZigBee技术的无线通信方式及PRO协议栈，配合JN5148芯片通讯模块，实现各个传感器节点之间的无线传输。

    ⑶无线收发模块设计：该模块主要是以JN5148芯片为核心，通过UART异步串口与主处理器进行通信，同时采用SPI总线接口完成模块的初始化和命令，电源采用3.3V供电，复位端保持与节点终端系统一致的外部复位RESET。

    ⑷GPRS数据收发电路：实现一定距离内的传感器节点数据的处理汇总及转发给供电管理部门的监测控制中心。

    ⑸信息采集单元模块：负责采集到的信息进行检测、处理、传输等功能，监测、预报人为破坏、自然灾害等。

    ⑹温度、湿度及视频图像采集单元：采集高压输电线路和电力塔周围张力、温度和湿度等信息，及现场视频图像，温度传感器采用美国DALLAS公司的DS18B20，湿度传感器选用瑞士Sensirion公司SHT75。

    ⑺软件系统的开发：包括传感器节点入网与数据收发、传感器温度湿度等信息数据采集与处理、图像信息数据采集与处理、GPRS网络登录控制等。

    2 传感器节点入网与数据收发

    zigBee协议栈的功能在本文中可以实现传感器节点之间的无线网络链接，并且完成温度、湿度等数据的采集，为现场监测的数据与后台控制中心实现实时交互。

    在交互过程中，网络协议栈完成各个网络节点的温度、湿度等相关数据的登录、退出，以及收发、转发等功能，实现现场数据和远程监控管理之间的交互管理。

    系统的数据来源于各个传感器节点，数据传输采用路由协议，实现过程如图1所示。

    传感器网络节点的数据传输采用合理的路由协议机制，实现过程：当网络节点加入网络后，首先传感器采集现场数据，并将采集数据保存准备处理。如果传感器监测信息数据需要发送或上层节点数据需要转发，则向相邻ID号加1或减1的节点请求数据传送，当数据发送成功后返回等待，继续判断网络状态和采集传感器数据，发送错误设置发送标志等待下一个周期向相邻节点通信模块再次发送。如果没有数据发送，则设置定时器初始化侦听周期，节点模块进入体眠状态；当定时器溢出后进入侦听状态，连续3次没有激活事情，修改定时器侦听周期；如果在侦听时间内连续发生激活事件，则减小定时器侦听周期。一般状态下节点进行休眠，等待下一个唤醒周期工作。

    3 系统功能特点

    ⑴在线监测供电线路的温度和湿度等重要数据，实时了解系统运行状态，为供电线路维护人员实时提供准确依据，大大提高了电力系统的安全稳定性。

    ⑵无线传感网络能够将监测数据经过网关节点上传至监控中心，从技术上解决了人工巡检与无人机巡检的各项不足，保障了输电设备的安全稳定运行。保障了电力工作者的工作安全，降低了平时的工作强度。

    ⑶实时采集供电线路的温度、湿度等数据，避免了传统的定期系统停电检修的方式方法，达到了“机器换人”的目的，实现供电系统可靠性高、成本降低和减少人工的目的。

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