預(yù)裝式變電站溫濕度煙霧WSN傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

楊 鵬 史旺旺 沈楚焱

(揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

預(yù)裝式變電站因其自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，但是，現(xiàn)有的預(yù)裝式變電站在安全可靠性方面還存在一些問題。由于變電站一般運(yùn)行在戶外，戶內(nèi)電器設(shè)備容易受到外界環(huán)境的影響。為了解決預(yù)裝式變電站采用有線監(jiān)控方式布線帶來的缺點(diǎn)，研究人員結(jié)合不同的監(jiān)測要求，設(shè)計(jì)了多種專用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(節(jié)點(diǎn))。

張巧芬等設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MSP430F149+nRF905作為核心模塊，監(jiān)測電器設(shè)備的溫度。該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)抗干擾能力和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期有待進(jìn)一步提高［1］。

王海倫等采用PSOC+CC2430作為核心模塊，設(shè)計(jì)了電氣設(shè)備溫度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)體積小、可靠性高，但由于通信距離短，限制了推廣應(yīng)用［2］。

李麗芬等設(shè)計(jì)了長鏈樹狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)絕緣子泄漏電流的在線監(jiān)測，但是電磁兼容和網(wǎng)絡(luò)安全有待進(jìn)一步提高［3］。

針對(duì)以上各種不足，本裝置應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將溫濕度和煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置于高壓室、低壓室和變壓器室，通過路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一款功能豐富、性能強(qiáng)大且成本低的變電站無線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。無線微控制器采用英國Jennic公司的高性能、低功耗無線SOC模塊，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)和收發(fā)功能;同時(shí)在傳感器節(jié)點(diǎn)裝置中采用時(shí)鐘芯片用于對(duì)采樣進(jìn)行計(jì)時(shí)，時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片DS1302。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of sensor node

2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)分別部署在高壓室、低壓室和變壓室內(nèi)的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上，由于電磁干擾嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)硬件盡可能考慮低功耗和抗干擾設(shè)計(jì)。硬件抗干擾主要是根據(jù)干擾情況，在傳感器信號(hào)調(diào)理電路中增加濾波電路，采用抗干擾能力強(qiáng)的JN5139核心無線控制器、電池供電等方式實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)的傳感器模塊主要由微處理器、無線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元和電源單元等5個(gè)部分組成。

2.1 微處理器模塊

本設(shè)計(jì)采用JN5139無線微處理器，JN5139是集成了UFL天線的高功率模塊［4－5］，可以在最短的時(shí)間內(nèi)、最低的成本下實(shí)現(xiàn)IEEE 802.15.4或 ZigBee兼容系統(tǒng)。該模塊利用Jennic的JN5139無線微控制器來提供完整的射頻和RF器件的解決方案。模塊提供了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的豐富的外圍器件。模塊的主要特性為:集成 UFL天線插槽，兼容2.4 GHz、IEEE 802.15.4 和 ZigBee 協(xié)議，2.7 ～3.6 V 操作電壓，睡眠電流(包括睡眠定時(shí)器處于活動(dòng)狀態(tài))為2.8 μA，接收靈敏度為 －100 dBm。MCU的主要特性有:16 MHz 32位 RISC CPU、96 kB RAM、192 kB ROM，4個(gè)輸入端口、12位ADC、2個(gè)11位DAC、2個(gè)比較器、2個(gè)應(yīng)用級(jí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)串口(其中1個(gè)用于系統(tǒng)在線調(diào)試)、1個(gè)SPI接口(支持5個(gè)SPI從節(jié)點(diǎn))。

2.2 信號(hào)獲取和處理模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示［6－8］。在高壓室、低壓室和變壓室分別放置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，煙霧信號(hào)采用離子型煙霧探測器ZRAM-A1采集，探頭采集的信號(hào)輸入到煙霧檢測芯片MC14468完成初步信號(hào)處理。同時(shí)，采用TMP35G溫度傳感器采集環(huán)境溫度。兩者采集的信號(hào)輸入DS2438芯片，然后將DS2438輸出信號(hào)輸入JN5139無線控制芯片，通過相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)煙霧和溫度的融合算法，防止煙霧的誤報(bào)警。溫濕度信號(hào)采用集成溫濕度傳感器SHT10，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路處理后輸入無線控制芯片的I/O接口。聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)、除濕器驅(qū)動(dòng)和加熱器驅(qū)動(dòng)采用三極管和繼電器構(gòu)成。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖Fig.2 Principle of sensor node

3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)平臺(tái)都使用Jennic公司提供的一整套開發(fā)工具。首先，用戶程序在Jennic CodeBlocks集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試和編譯。CodeBlocks是一個(gè)源碼開放的C/C++集成開發(fā)環(huán)境，Jennic對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)，嵌入了很多用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的API函數(shù)。這些函數(shù)用于將用戶程序編譯成二進(jìn)制文件。編譯的二進(jìn)制文件使用Jennic Flash Programmer軟件下載到JN5139的Flash中后，用戶程序就可以在JN5139模塊上運(yùn)行。

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是在定時(shí)中斷函數(shù)中采集煙霧數(shù)值和讀取數(shù)字溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)合成完整的數(shù)據(jù)包。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的距離超過兩個(gè)設(shè)備間直接傳輸距離時(shí)，可由路由器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的目的地仍然是協(xié)調(diào)器。

節(jié)點(diǎn)上電時(shí)，首先進(jìn)行初始化操作，包括ZigBee堆棧的初始化及硬件外設(shè)的初始化;接著進(jìn)行信道查詢，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)等待加入;然后向該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入請(qǐng)求;最后，在收到允許加入的確認(rèn)之后加入網(wǎng)絡(luò)，接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并把讀取的節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖3 所示［9－10］。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.3 The program flowchart of sensor node

系統(tǒng)采用非阻塞的設(shè)計(jì)方法，減少了CPU等待時(shí)間，大大提高了CPU的利用率。定時(shí)中斷程序主要完成數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)中斷到來時(shí)，首先查詢傳感器狀態(tài)，然后根據(jù)查詢結(jié)果，完成啟動(dòng)采樣、信號(hào)轉(zhuǎn)換和讀取采樣結(jié)果等操作，并在一個(gè)操作完成之后把傳感器狀態(tài)轉(zhuǎn)換成下一個(gè)操作狀態(tài)，依此循環(huán)采集數(shù)據(jù)。非阻塞程序流程如圖4所示。

圖4 非阻塞程序流程圖Fig.4 The program flowchart of non-blocking method

4 測試結(jié)果

對(duì)上述方案設(shè)計(jì)的溫度測量進(jìn)行了試驗(yàn)室驗(yàn)證，同時(shí)采用紅外測溫儀作為標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)比傳感器節(jié)點(diǎn)的測量值，進(jìn)行了驗(yàn)證。在0～100℃之間選取8個(gè)測量點(diǎn)，同時(shí)讀取紅外測溫儀和節(jié)點(diǎn)溫度值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results

表1表明:所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的測量誤差較小，符合工程實(shí)際需要。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前預(yù)裝式變電站監(jiān)測中存在的監(jiān)測點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等特點(diǎn)，提出了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)預(yù)裝式變電站內(nèi)溫濕度煙霧進(jìn)行在線監(jiān)測的方法［11－12］。本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本連續(xù)在線監(jiān)測，較傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。實(shí)際運(yùn)行表明，該節(jié)點(diǎn)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

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