物聯網傳感器網絡在開關柜測溫中的應用

方媛

摘 要 本文將物聯網傳感器應用于10kV開關柜及低壓配電柜的溫度監測。設計了系統總體架構，論述無線傳感器網的通訊原理研究設計了應用于高壓開關柜溫度監測的無線溫度傳感器節點，開發了基于地理信息系統的監測管理軟件。

【關鍵詞】無線傳感器網絡 物聯網

1 引言

10kV開關柜及低壓配電柜的是保證電力系統安全生產的重要設備之一。設備在長期的運行過程中，設備因超負荷運行，必然會出現過熱現象；另外，設備中的連接頭接觸不好或因產品制造、運輸以及安裝過程缺陷等原因也會引起接觸點的電阻過大，會導致接觸點產生過熱的現象。電纜接頭、動靜觸頭和母線排連接處等部位因過熱引起絕緣老化、擊穿甚至發生火災，在10kV開關柜及低壓配電柜中尤為突出且影響極大。因此，對這些發熱部位進行實時溫度的監測十分必要，以避免短路引起火災、燒毀或突然停電等事故。

2 系統總體組網結構

配電網自動化是對配電網上的設備進行遠方實時監視、協調及控制的一個高度集成的系統，是現代計算機技術和通信技術在配電網監視與控制上的高級應用。本系統中將無線溫度傳感器網絡融合在現有的物聯網里，實現了遠程高壓配電柜內電纜、觸頭等溫度的監測。

3 無線溫度傳感器網絡

無線溫度傳感器網絡包括分布式的溫度傳感器節點、無線網關節點、國家電網通信網和監測 軟件。溫度傳感器節點布置在被監測電纜或觸頭處，節點通過射頻天線將數據發送到無線傳感器網絡網關BS909，BS909網關通過路由器和國家電網光纖網融合將數據傳送到監測 中心主機，傳感器網絡通信系統如圖1所示。本系統主要結構是將集成BF模塊的溫度傳感器節點部署在高壓開關柜內，構成基于BF技術的傳感器網絡拓撲結構。在半徑約1000m范圍內的高壓開關柜可組成一個單獨網絡，每個網絡裝備一個網關。

4.1 物聯網無線通訊協議

802.15.4標準定義了PHY層和MAC子層，國內外，大多無線傳感器網絡產品從上層應用層開始編寫，直接調用協議提供的庫函數，與從底層MAC層編寫的協議相比，效率較低，受到了限制太多，使用不靈活等約束。比如，為了實現同步，消除授時時延誤差，最好在低層（MAC層）打上時間戳，用來消除發送節點的處理延遲和MAC層的訪問延遲。如果在上層應用層調用庫函數，就沒有辦法在底層使用時間戳，從而造成同步精度大幅降低。

本項目無線傳感器網絡協議遵從802.15.4標準，從MAC層開始編寫完成。網絡拓撲采用星型或樹型。對于簇樹型網絡，整個網絡分成多個簇，由部分節點組成簇樹的主干和從干（簇頭），其他大部分節點成為簇樹的葉設備，葉設備的數據匯集到各自的簇頭，由簇頭多跳傳輸到中心網關。傳感器節點通過場強檢測和鏈路質量監聽，加入到最合適的簇，生成固定的路由表和備份路由表。由于本項目專門適合于監測點固定的應用，我們的路由協議僅考慮了節點失效和新加入節點的情況，并沒有考慮傳感器節點頻繁移動的拓撲變化，保證了網絡協議的高效率。

4.2 物聯網無線溫度傳感器節點

本無線傳感器節點采用無線 SOC 片上系統 SAW，在單個芯片上整合了BF射頻（RF）前端、內存和微控制器，溫度傳感器采用DB2030技術。

4.2.1 溫度傳感器DB2030

DB2030是最新單線數字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經濟，DB2030是支持“一線總線”接口的溫度采集傳感器，一線總線具有獨特而且經濟的特點，可輕松地組建傳感器網絡架構，為溫度測量系統的構建引入新概念，它的溫度測量范圍為-45～+220℃，在-20～+65℃范圍內，精度為±1℃，現場溫度會直接以“一線總線”的數字方式進行傳輸，極大的提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境及強電磁干擾環境的溫度測量，讓我們可以構建適合自己的經濟的測溫系統。

4.2.2 無線通訊模塊

SAW 芯片延用了以往SAW 芯片的架構，在單個芯片上整合了BF 射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128 KB 可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器（ADC）、AES129 協同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（Power On Reset）、掉電檢測電路（Brown out detection），以及21 個可編程I/O 引腳。SAW 芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于24 mA 或23 mA。SAW 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。無線網關即無線數據傳輸基站，用于收集各類傳感器的無線信號，并通過RS-485總線形式、USB線或GPRS無線傳輸模塊，將數據傳送給控制主機。它是由MCU、RS-485接口、CAN接口、GPRS 模塊、2.4GHz數字RF收發器、寬輸入DC/DC直流穩壓電源、IP66 PPS外殼和高增益定向天線等組成。

參考文獻

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作者單位

1.遼寧遼能配售電有限責任公司 遼寧省沈陽市 110000

2.遼寧省電力有限公司檢修分公司 遼寧省沈陽市 110000endprint