基于WSN的配電網數據采集系統的研究與設計

王薇，賈素梅

(邯鄲學院，河北邯鄲056005)

配電網是電力系統的重要組成部分。在電力系統的長期運行中，配電網中的各種設備因老化等問題常常會造成供電系統的失效。因此，為了保證電力系統的正常運行，就需要對配電網內的各類設備進行在線監測。在配電網中，配電裝置包括了開關電器(斷路器、隔離開關、負荷開關等)、保護裝置(熔斷器、繼電器、避雷器等)、載流導體等設備。對這些設備的在線監測離不開及時準確的數據采集系統[1]。

傳統的數據采集系統中，中央監控中心與監測端的通信大多采用有線傳輸，這種方式的優點是可靠性高，但是存在著布線復雜、維護困難、網絡結構不靈活的缺點，因此，利用無線采集系統取代有線監控系統勢在必行。

無線傳輸是利用電磁波來實現數據傳輸的通信方式。目前應用較多的是藍牙、Wifi、紅外數據傳輸、ZigBee等形式。在這些技術當中，基于數據傳輸距離、速度、耗電量等方面的考慮，應用以ZigBee技術為核心的無線傳感網(WSN)是一種良好的選擇[2]。

1 無線傳感網技術分析

隨著傳感器技術、嵌入式技術、網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術的不斷發展，WSN從最初的結點及網絡協議設計，再到智能群體的研究，已經成為無線通信的一種熱點技術。

WSN是新一代的傳感器網絡，是一種新的信息獲取和處理模式。WSN是由數量眾多、分布隨機的網絡內結點組成。這些結點集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊，具體結構如圖1所示。這些結點通過人工布置或飛機布撒的方式部署在預感知對象的附近，且采用自組織的方式構成網絡，并借助于結點中內置的形式多樣的傳感器測量周邊環境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分及移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現象，實現對所在環境的監測。

圖1 WSN結點結構

整個傳感器網絡的基本結構如圖2所示。圖中的每一個傳感器結構以自組織的形式構成網格，并通過多跳中繼方式將監測的數據傳至匯總結點(sink)，再由匯總結點將整個無線傳感網中的數據傳送至遠程管理中心進行集中處理。

傳感網中的每一個傳感器結點通常是一個微型的嵌入式系統。它具有一定的處理能力、存儲能力和通信能力，可以完成數據的采集和處理功能。但是由于無線傳感網中每一個結點的能量有限，所以每一個結點的處理能力都不是很強。目前，適用于短距離的無線通信技術大致有藍牙技術、ZigBee技術及Wifi技術。相比較而立，ZigBee技術以其功耗低、結構簡單、性價比高、擴展簡便及安全可靠等優點成為構建WSN的最佳選擇。

圖2 無線傳感網網絡體系結構

本設計采用ZigBee技術，以Ad-Hoc方式構成的無線網絡，整個網絡采用簇-樹狀拓撲結構。每一個結點采用CC2530芯片作為微處理器。CC2530的引腳端口與傳感器相連，形成數據采集的終端。

2 數據采集系統總體架構設計

配電網數據采集系統主要包括三個基本模塊：底層數據采集模塊、數據傳輸模塊和數據存儲管理模塊，具體結構如圖3所示。

圖3 系統總體架構圖

底層數據采集模塊由CC2530所帶的電流、電壓、溫度、濕度、紅外、振動等傳感器組成，這些傳感器所采集的數據經CC2530中的8051單片機簡單處理后傳至數據傳輸模塊。

數據傳輸模塊由ZigBee路由器結點組成，這一部分也由CC2530芯片擔當。這些路由器結點組成樹狀網絡，形成數據上傳至匯總結點的通道。

數據存儲與管理模塊由ZigBee協調器與PC機組成，Zig-Bee協調器由CC2530擔當，與PC機用USB線進行連接，串口進行數據通信。PC機接收數據后對數據進行進一步的存儲與處理。PC上安裝有網卡，形成與Internet網的連接端口，從而滿足遠程監控的需要。

3 數據采集模塊隨機干擾的濾波設計

在無線傳感網進行數據采集的過程中，測量通道中串入隨機干擾是不可避免的。隨機干擾的出現會引起測量誤差，對遠程的監控不利。因此，采取某種手段對采集數據進行濾波是保證采集數據準確性的前提。

常用的數字濾波算法有算術平均濾波、加權平均濾波、中位值濾波、限值濾波等方法，本設計采用基于中位值濾波方法的中位值平均濾波方法。

通常中位值濾波是對采集信號進行排序，取位于中間的數據作為一次的采樣數據。這種方法對高頻干擾和低頻干擾都有一定的濾除效果，但是對于某些變化快速的采集數據，如電流、電壓、振動等，不宜采用中位置濾波。

中位值平均濾波方法是在中位值排序的基礎上，將最大和最小的數據去掉，然后將剩余的數據進行平均，最終將平均值作為一次采樣數據。因此無論對于緩慢變化的信號，還是對快速變化的信號，都能取得良好的濾波效果。

4 總結

本文利用無線傳感網構建了配電網數據采集系統。該系統以ZigBee技術為基礎，利用CC2530的處理能力及路由能力，形成了一個多跳自組織的簇-樹狀無線傳感器網絡。同時，采用中位值平均濾波法對隨機干擾進行了過濾，提高了信號的潔凈度。

[1] 張永健.電網監控與調度自動化[M]．北京：中國電力出版社，2011：3-5.

[2] 屈軍鎖.物聯網通信技術[M]．北京：中國鐵道出版社，2011：124-125.