基于無線傳感器網絡的電力線桿塔監測系統的研究

葉德昌　郁煒　祝永華

摘 要：為便于高壓線路和電力塔提前維護和更好的使用，構建了一個基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，通過節點、自身電路和協議，實現數據包快速有效的延伸和接力傳輸。文章設計的電力塔遠程監測系統包含監測網絡的網絡結構、通信協議、傳感器節點入網與數據收發等幾個關鍵技術。

關鍵詞：無線傳感器網絡；遠程監測；高壓線路；電力塔

高壓線路和電力塔是遠程電能輸送的關鍵設施，但由于人力和自然的損壞等不確定因素的影響，電力傳輸的過程可能會被中斷，然而電力公司由于無法提前確定供電電纜是否會斷裂、斷裂的具體位置，采用傳統的方法查找耗時耗力，并且延誤搶修時刻，往往會造成巨大經濟損失。為解決這類社會問題，就必須能夠檢測供電系統運行狀態的溫度、濕度等于電纜狀態緊密相關的數據，同時能夠把這些數據實時傳輸到供電管理部分的控制中心，因此，建立一個無線網絡的電力塔實時監測系統十分必要。本文采用ZigBee技術中的無線傳感器網絡，針對高壓輸電線路、以及中繼傳輸的電力塔上的溫度、濕度等相關重要數據，建立一個傳感監測網絡系統。主要包括傳感器節點入網和數據收發等幾個關鍵技術的理論和應用研究。

1 電力塔監測系統整體結構

電力傳輸線桿塔監測系統整體結構由無線節點、無線網關部分（sink節點）、Internet或GPRS/GSM網絡接口、上位機等組成。其中可分為以下模塊：

⑴主控制模塊設計：它包括振蕩器電路，編程接口電路，故障診斷電路以及狀態指示電路等幾部分組成。

⑵傳感器節點無線模塊：通過ZigBee技術的無線通信方式及PRO協議棧，配合JN5148芯片通訊模塊，實現各個傳感器節點之間的無線傳輸。

⑶無線收發模塊設計：該模塊主要是以JN5148芯片為核心，通過UART異步串口與主處理器進行通信，同時采用SPI總線接口完成模塊的初始化和命令，電源采用3.3V供電，復位端保持與節點終端系統一致的外部復位RESET。

⑷GPRS數據收發電路：實現一定距離內的傳感器節點數據的處理匯總及轉發給供電管理部門的監測控制中心。

⑸信息采集單元模塊：負責采集到的信息進行檢測、處理、傳輸等功能，監測、預報人為破壞、自然災害等。

⑹溫度、濕度及視頻圖像采集單元：采集高壓輸電線路和電力塔周圍張力、溫度和濕度等信息，及現場視頻圖像，溫度傳感器采用美國DALLAS公司的DS18B20，濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司SHT75。

⑺軟件系統的開發：包括傳感器節點入網與數據收發、傳感器溫度濕度等信息數據采集與處理、圖像信息數據采集與處理、GPRS網絡登錄控制等。

2 傳感器節點入網與數據收發

zigBee協議棧的功能在本文中可以實現傳感器節點之間的無線網絡鏈接，并且完成溫度、濕度等數據的采集，為現場監測的數據與后臺控制中心實現實時交互。

在交互過程中，網絡協議棧完成各個網絡節點的溫度、濕度等相關數據的登錄、退出，以及收發、轉發等功能，實現現場數據和遠程監控管理之間的交互管理。

系統的數據來源于各個傳感器節點，數據傳輸采用路由協議，實現過程如圖1所示。

傳感器網絡節點的數據傳輸采用合理的路由協議機制，實現過程：當網絡節點加入網絡后，首先傳感器采集現場數據，并將采集數據保存準備處理。如果傳感器監測信息數據需要發送或上層節點數據需要轉發，則向相鄰ID號加1或減1的節點請求數據傳送，當數據發送成功后返回等待，繼續判斷網絡狀態和采集傳感器數據，發送錯誤設置發送標志等待下一個周期向相鄰節點通信模塊再次發送。如果沒有數據發送，則設置定時器初始化偵聽周期，節點模塊進入體眠狀態；當定時器溢出后進入偵聽狀態，連續3次沒有激活事情，修改定時器偵聽周期；如果在偵聽時間內連續發生激活事件，則減小定時器偵聽周期。一般狀態下節點進行休眠，等待下一個喚醒周期工作。

3 系統功能特點

⑴在線監測供電線路的溫度和濕度等重要數據，實時了解系統運行狀態，為供電線路維護人員實時提供準確依據，大大提高了電力系統的安全穩定性。

⑵無線傳感網絡能夠將監測數據經過網關節點上傳至監控中心，從技術上解決了人工巡檢與無人機巡檢的各項不足，保障了輸電設備的安全穩定運行。保障了電力工作者的工作安全，降低了平時的工作強度。

⑶實時采集供電線路的溫度、濕度等數據，避免了傳統的定期系統停電檢修的方式方法，達到了“機器換人”的目的，實現供電系統可靠性高、成本降低和減少人工的目的。

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