基于改進ZigBee路由算法的高壓開關柜溫度在線監測系統

田 軍, 劉 爽, 朱偉華

(吉林電子信息職業技術學院 電氣工程學院, 吉林 吉林 132021)

基于改進ZigBee路由算法的高壓開關柜溫度在線監測系統

田 軍, 劉 爽, 朱偉華

(吉林電子信息職業技術學院 電氣工程學院, 吉林 吉林 132021)

針對高壓開關柜內部布線繁瑣等問題，設計一種基于ZigBee技術的高壓開關柜溫度在線監測方案,為了改善高壓開關柜監測實時性不高問題，提出一種適用于高壓開關柜溫度在線監測系統的ZigBee路由優化算法。多次仿真結果表明，改進算法在節點跳數、端到端的延時及可靠性方面均有一定程度的改善。目前該系統已成功用在某變電站高壓開關柜，運行良好。

高壓開關柜； 溫度監測; ZigBee； 路由

高壓開關柜在我國電力系統的電壓、電流等電氣量實時數據監測、關合電力線路等方面扮演著重要角色[1-3]。高壓開關柜長期使用會導致其關鍵部件(諸如母線接頭及室外刀閘開關等)溫度過高[4]，可能會引起火災事故，甚至會導致大面積停電，給人們的生活和工業生產帶來不便[5-7]。為了盡可能減少上述情況的發生，電力部門需要對高壓開關柜的刀閘開關和母線接頭進行實時監測[8-10]。對高壓開關柜進行監測的方式有若干種，如現場實時人工監測和有線自動監測等。但上述方法要么存在抗干擾性不好、功耗很大；要么存在成本高、鋪設困難等缺點，越來越不能滿足人們的需求。

ZigBee技術具有體積小、安全性高等優點。ZigBee應用于電力系統時，電氣設備的工作區域內大多數都是強電設備，其具有大量的儲能元件，例如電感、電容等。若電壓或是電流出現強烈的變化，就會產生頻譜很寬、危害巨大的瞬變噪聲干擾[11-12]。當ZigBee設備嵌入到電力系統中，由于其輻射功率在mW級，影響不到強電回路；良好的接地系統使得電磁兼容性完全滿足《無線通信設備電磁兼容性通用要求》的標準。因此，ZigBee技術非常適合應用于高壓開關柜溫度的監測。

由于當前ZigBee路由傳統算法在數據傳輸時，未考慮鄰居節點或者通過向整個ZigBee網絡廣播數據包，數據傳輸的路徑不是最優，消耗大量能量。目前，國內外專家學者主要是對LEACH算法進行優化，很少對ZigBee樹型路由算法進行優化。鑒于此，本文提出了一種適用于高壓開關柜溫度在線監測系統的ZigBee路由優化算法，通過降低節點的轉發跳數，來延長網絡的使用壽命，提高網絡的實時性。

1 系統的總體設計方案

基于改進ZigBee路由算法的高壓開關柜溫度實時在線監測系統解決了現有設備智能化程度低、信號不穩定及監測系統延時較長的問題，它包括高壓開關柜監測終端、3G無線通信模塊和遠程監測中心3部分，系統框圖如圖1所示。監測終端附著于高壓開關柜的關鍵部件(如刀閘開關和母線接頭)連接DS18B20溫度傳感器，用來采集開關柜的溫度信息，將這些溫度數據通過終端采集節點傳輸到協調器，若傳輸距離較遠時，借助ZigBee路由節點。3G無線通信模塊使監測終端聯網，獲取全球唯一的IP地址，通過TCP可靠性傳輸協議將采集的溫度信息打包傳輸至遠程監測中心。監測中心對開關柜的溫度信息進行數據存儲、顯示、統計報表，并結合開關柜參數進行分析，完成溫度和濕度等多參數預警功能。

由于目前ZigBee節點采用干電池進行供電，頻繁更換電池需要消耗大量的人力和物力，并影響系統的正常運行。因此ZigBee節點的能耗問題是系統設計時必須考慮的關鍵技術。為了盡可能降低節點消耗的能量和提高數據傳輸速率，本文主要采取優化ZigBee路由算法，降低節點轉發跳數，不但可降低網絡的能耗，也可以提高高壓開關柜監測系統的實時性。

圖1 系統總設計框圖

2 系統關鍵技術設計及實現

2.1 監測終端的硬件設計

監測終端主要由ARM處理器、采集節點模塊、供電模塊、3G模塊及相應的外圍電路組成，ZigBee協調器和3G模塊通過串口連接在ARM處理器上。結構框圖如圖2所示。CC2430芯片與傳感器通過串口UART連接，如圖3所示。

圖2 結構框圖

圖3 CC2430芯片與傳感器的連接電路

2.2 硬件抗干擾措施

高壓開關柜一般處于高壓環境下，因此硬件可能受到電磁干擾。無線高壓開關柜系統設計的監測終端采用模塊化設計，每個模塊都使用1 mm厚度的鍍鋅鐵板材料制作屏蔽罩，屏蔽罩上只開一個很小的長方形孔，用于通過模塊之間的信號線和電源線。本設計能夠減小電磁場對監測裝置的干擾。

2.3 傳感器節點軟件設計

無線傳感器網絡節點的主要功能是高壓開關柜溫度數據的采集和傳輸。本系統不但采用優化的ZigBee路由算法，同時在程序設計時采用中斷喚醒的方式來接收環境數據，盡可能地降低ZigBee節點的功耗，延長節點的使用壽命，提高高壓開關柜在線監測系統的實時性。其流程圖如圖4所示。

3 ZigBee路由算法及優化

3.1 樹型路由算法原理及缺陷

在ZigBee傳統的樹型路由算法(ZBR算法)中，當目的節點是后裔節點時，每個源節點或中繼節點將數據包傳遞給子節點，否則傳遞給父節點。這樣形成的樹型結構，會造成轉發跳數的增加，消耗網絡中的能量[13-15]。ZigBee經典路由算法見圖5，從圖中可看出，源節點向目的節點發送數據，通過特定選擇下一跳節點，并嚴格按照樹型結構進行數據傳遞，遠增加了轉發跳數。

圖4 傳感器節點軟件設計流程圖

圖5 ZigBee經典路由算法

3.2 ZigBee路由算法的改進

針對上述問題，本文結合機會路由算法，提出基于機會路由能量優化的樹型路由(opportunisti energy zigBee tree routing，OEZTR)算法。該算法并不特定選擇下一跳節點，而是根據一跳范圍內鄰居節點到目的節點的剩余跳數這一優先權，來限制剩余跳數較多的鄰居節點作為被選節點，這樣可以避免單一路徑之間進行數據傳輸。另外，在路徑選擇時，有可能遇到多個節點到目的節點的剩余跳數相同的情況，通過設置延時間隔(t∈[(RH(u，d)-1)·δ，(RH(u，d))·δ])來避免沖突，其中δ為數據可靠傳輸的最小時間間隔。OEZTR算法不但繼承了ZigBee樹型路由協議沒有任何路由開銷的優點，還為網絡提供了可靠的數據包的傳輸。

本課題提出的OEZTR算法的偽代碼見表1。該算法設計的核心思想是利用IEEE802.15.4協議標準的一跳范圍內的鄰居表，鄰居表中的鄰居節點到目的節點最小的剩余跳數，把剩余跳數作為選擇優先轉發節點的條件，來限制被選節點的區域，或限制下一跳節點到目的節點傳遞的方向，盡可能減少無效數據包的傳輸，以延長網絡的生命周期。若A、B、C、D節點均是某中繼節點的一跳范圍內的鄰居節點，根據延時間隔t來確定節點的優先權，若C節點的延時間隔小，到目的節點的剩余跳數最少，該節點首先接收數據包，并轉發該數據包，其余節點取消數據傳遞。

表1 OEZTR算法的偽代碼

OEZTR算法數據通信路徑如圖6所示。圖中小圓代表一跳范圍內的鄰居表，虛線框代表OEZTR算法轉發數據的方向，直線代表節點之間的關系。

圖6 OEZTR算法

以圖6為例說明OEZTR算法選擇路徑的過程:源節點S向目的節點D發送數據，首先，一跳范圍內的鄰居表中的鄰居節點A、B、C及L節點接收源節點S廣播的數據包，按照ZigBee樹型結構計算上述4個節點到目的節點的最小剩余跳數，RH(A，D)=4，RH(B，D)=4，RH(C，D)=3，RH(L，D)=3，tA∈[3·δ,4·δ]，tB∈[3·δ,4·δ]，tC∈[2·δ,3·δ]，tD∈[2·δ,3·δ]，根據剩余跳數，C和L節點具有優先權，而A和B節點取消數據包的傳遞，如果不把最小剩余跳數這一條件作為選擇轉發節點的優先權，C節點和L節點由于到目的節點的剩余跳數最少，因此最先接收到數據包，而B節點由于不知道C和L節點已經轉發數據包，當t超過預設的值時，B節點再次重新廣播數據包，這樣會造成傳遞不必要的數據包；其次，C和L節點開始轉發數據包，G和H節點因到目的節點的最小剩余跳數少，獲得優先權；最后，通過G和H節點將數據包轉發給目的節點D。從OEZTR算法的過程中可看出，上述數據的轉發由兩條路徑同時進行，而ZBR算法只有一條路徑，而它們到目的節點的剩余跳數是相同的。因此，OEZTR算法在沒有增加任何路由開銷的情況下，采用多條路徑或者一條路徑有多個候選節點進行數據傳輸，避免只有一條路徑的特定節點而有可能遇到傳輸中斷的問題，大大地增加了數據分組遞交率。

3.3 仿真結果及分析

為了驗證OEZTR算法的性能，本文采用開源的NS2軟件進行仿真，對經典的ZigBee路由算法算法和本文優化的ZigBee路由算法(OEZTR算法)進行性能對比分析，實驗獨立運行80次，分別獲得路由算法的平均分組遞交率和平均跳數，10～100個節點隨機分布在100 m×100 m的區域內，仿真參數:Cm=4，Rm=4，Lm=6。當節點數為100時，本文提出的改進算法仿真動畫如圖7所示。

圖7 OEZTR仿真動畫

算法仿真結果見圖8—圖10。從圖中可以看出，OEZTR算法在平均跳數和節點端到端的時延方面優于ZigBee經典的路由算法，主要是本文改進的路由算法并不特定選擇下一跳節點，而是根據一跳范圍內鄰居節點到目的節點的剩余跳數這一優先權，來限制剩余跳數較多的鄰居節點作為被選節點，減少了節點的轉發跳數，降低了ZigBee網絡的總能耗，從而提高了高壓開關柜遠程在線監測系統的實時性，切實保障電力系統變電站的安全運行。

圖8 平均節點跳數對比圖

圖9 平均節點時延對比圖

圖10 剩余能量對比圖

4 系統測試及分析

為了驗證本文提出的ZigBee路由優化算法的可行性，將改進的路由算法應用到高壓開關柜溫度在線監測系統中。ZigBee節點的組網方式采用樹型網絡，由于ZigBee是一種多跳技術，最大可連64 000個節點，可任意增加或減少終端節點數和路由節點數。高壓開關柜遠程監測中心上位機軟件利用Qt開發環境編寫，設定溫度閾值來實時地評價高壓開關柜的運行狀態。系統的測試界面見圖11。多次對高壓開關柜測溫系統進行測試，其測量誤差低于±1 ℃。

系統各個ZigBee節點(終端節點、路由節點及協調器節點)均采用電池供電，系統分別采用經典路由算法與OEZTR算法進行路由選擇，測試表明，節點的電池壽命在同等條件下OEZTR算法可延長2 d左右，系統運行穩定，丟包率在0.12%左右。

圖11 遠程監測中心上位機顯示界面

5 結語

為了實現高壓開關柜監測的信息化和智能化，本文設計了一種適用于高壓開關柜溫度實時監測系統，利用改進的ZigBee路由協議，實現了對高壓開關柜溫度實時監控。下一階段的工作是盡可能地優化ZigBee路由協議，以便更好地滿足高壓開關柜溫度遠程監測系統對實時性要求高的特點。

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Online monitoring system for high-voltage switchgear temperature based on improved ZigBee routing algorithm

Tian Jun, Liu Shuang, Zhu Weihua

(Department of Electrical Engineering, Jilin Technology College of Electronic Information， Jilin 132021, China)

In view of the problem of the complicated wiring in the high-voltage switchgear, an online monitoring scheme for the high-voltage switchgear temperature is designed based on ZigBee technology. In order to improve the real-time monitoring of the high-voltage switchgear, a ZigBee routing optimization algorithm is proposed for such monitoring system. The simulation results show that the improved algorithm has certain improvement in node hops, end-to-end delay and reliability. At present, the system has been successfully used in a substation high-voltage switchgear, and runs well.

high-voltage switchgear; temperature monitoring; ZigBee; routing

TM591

A

1002-4956(2017)10-0082-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.022

2017-04-04

2016吉林省教育廳“十三五”科技項目(吉教科合字【2016】第107號)；吉林市科技發展計劃資助項目(2015334004)

田軍(1982—),男，黑龍江虎林，碩士，講師，研究方向為電力系統的穩定與控制.