基于無(wú)人機(jī)的變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

魏新港 田立國(guó) 王岳松 黃曉川

摘 要針對(duì)當(dāng)前變電站內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警問(wèn)題，本項(xiàng)目提出一種基于無(wú)人機(jī)的變電站環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)及設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)變電站及設(shè)備內(nèi)的溫濕度、噪音、煙霧等環(huán)境質(zhì)量參數(shù)信息，并通過(guò)顯示裝置將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，也可通過(guò)操作無(wú)人機(jī)在事故多發(fā)點(diǎn)和不易監(jiān)測(cè)的位置進(jìn)行巡視，再通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)將所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室的PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)與分析，并通過(guò)數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)云端，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有異常的參數(shù)，則及時(shí)發(fā)出警報(bào)，監(jiān)控人員則會(huì)立即采取措施，針對(duì)突發(fā)情況，迅速找到原因，排除險(xiǎn)情，防止變電站系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備及供電線路損壞；本系統(tǒng)的應(yīng)用為變電站的監(jiān)測(cè)與維護(hù)具有重大意義。

【關(guān)鍵詞】變電站 環(huán)境監(jiān)測(cè) 預(yù)防報(bào)警 Zigbee 無(wú)人機(jī)

1 引言

居民區(qū)變電站作為電網(wǎng)為居民供電的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其可靠性直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生和社會(huì)安全穩(wěn)定。隨著國(guó)家對(duì)智能電網(wǎng)的大力建設(shè)，如何保證眾多位置分散的變電站處于正常運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行的可靠性和自動(dòng)化程度，是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)配智能電網(wǎng)需要深入研究的重要課題之一。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)的變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻回傳，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)收集主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、顯示以及預(yù)防報(bào)警，從而為變電站的正常運(yùn)行提供保障。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

基于無(wú)人機(jī)的變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體包括三大部分：

數(shù)據(jù)采集從節(jié)點(diǎn)部分、數(shù)據(jù)收集主節(jié)點(diǎn)部分、無(wú)人機(jī)部分。

（1）為了提高檢測(cè)的可靠性和裝置的可靠性，數(shù)據(jù)采集從節(jié)點(diǎn)部分的傳感器擬采用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器以及TN901紅外測(cè)溫傳感器

（2）數(shù)據(jù)收集主節(jié)點(diǎn)部分主要用于對(duì)各個(gè)從節(jié)點(diǎn)以及無(wú)人機(jī)部分的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、顯示以及云端上傳和預(yù)防報(bào)警。

（3）無(wú)人機(jī)部分主要用于對(duì)一些危險(xiǎn)的、不易監(jiān)測(cè)到的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及在一些惡劣天氣情況下使用。可以起到一個(gè)降低人工巡查危險(xiǎn)性、監(jiān)測(cè)不易監(jiān)測(cè)位置的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集從節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)收集主節(jié)點(diǎn)以及無(wú)人機(jī)三部分：數(shù)據(jù)采集從節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身攜帶的傳感器對(duì)變電站內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；無(wú)人機(jī)則通過(guò)攝像頭將采集到的實(shí)時(shí)視頻畫面進(jìn)行回傳。數(shù)據(jù)收集主節(jié)點(diǎn)用于將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、顯示，以及利用聲光和語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)報(bào)警，其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.1 控制模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集從節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集主節(jié)點(diǎn)的核心控制模塊均采用ARM處理器STM32F103C8T6，該處理器內(nèi)設(shè)多個(gè)I/O端口、多種通信方式，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。

2.2 環(huán)境檢測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器以及TN901紅外測(cè)溫傳感器。

（1）DHT11傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有體積小、功耗低、精度高、抗干擾性強(qiáng)、品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）煙感傳感器的通過(guò)對(duì)空氣中煙霧對(duì)離子的吸附能力來(lái)采集信號(hào)的。在信號(hào)產(chǎn)生后，要對(duì)其進(jìn)行濾波處理后才能進(jìn)行采集，采用二階濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，最后輸入至處理器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到可以利用的數(shù)字信號(hào)。

（3）噪音傳感器可以檢測(cè)周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度，靈敏度可調(diào)，比較器輸出，信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，超過(guò)15mA。工作電壓3.3V-5V，設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝，對(duì)聲音感應(yīng)強(qiáng)，測(cè)量準(zhǔn)確。

（4）TN901紅外溫度計(jì)模塊采用溫度補(bǔ)償技術(shù)可以準(zhǔn)確的測(cè)量出環(huán)境溫度。可以承受10℃的熱沖擊。擅長(zhǎng)在寬范圍溫度變化環(huán)境中保持精度。校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的序列號(hào)保存在模塊上EEPROM內(nèi)。

2.3 ZigBee無(wú)線通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離通信傳輸，系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線模塊構(gòu)成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，用于環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸與接收。系統(tǒng)部署多個(gè)無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的通信，具有通信穩(wěn)定、成本低、功耗低等優(yōu)勢(shì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息采集、傳輸、顯示和報(bào)警功能，通過(guò)各個(gè)從節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境信息的采集，再采用ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，以及無(wú)人機(jī)的視頻采集回傳。最后由主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息整合、顯示及報(bào)警功能，整個(gè)系統(tǒng)軟件功能流程如圖3所示。

3.1 PC機(jī)

系統(tǒng)的PC機(jī)采用Labview編寫，生成exe文件以供使用。PC機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、顯示、儲(chǔ)存、讀取以及數(shù)據(jù)下發(fā)等功能，PC端監(jiān)控中心如圖4所示。

（1）數(shù)據(jù)的收集主要是對(duì)發(fā)送到主機(jī)上的各段數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷是否為正確數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的來(lái)源，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分類。

（2）數(shù)據(jù)的顯示主要是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)在分類后通過(guò)顯示控件進(jìn)行顯示。會(huì)顯示不同節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、煙霧值以及噪聲值。

（3）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是將已接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄，方便以后查看。存儲(chǔ)后，數(shù)據(jù)會(huì)被保存到指定的EXCELL表格中。

（4）數(shù)據(jù)的讀取是讀取接收過(guò)的存儲(chǔ)在電腦上的數(shù)據(jù)。讀取相應(yīng)的EXCELL表格，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)表格以及圖表的形式顯示出來(lái)，以供查看。

（5）數(shù)據(jù)的下發(fā)是指通過(guò)PC機(jī)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)指令，排風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)、燈光的開(kāi)關(guān)都可以通過(guò)PC機(jī)上的按鈕進(jìn)行控制。

3.2 云端

云端的使用同樣是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存、讀取和指令的下發(fā)。不過(guò)云端可以使監(jiān)管人員隨時(shí)隨地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)時(shí)查看，對(duì)變電站進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控和操作，同時(shí)也方便了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和存儲(chǔ)空間的節(jié)約。

3.3 無(wú)人機(jī)監(jiān)控

無(wú)人機(jī)采集到的圖像經(jīng)回傳后可以通過(guò)手機(jī)和電腦進(jìn)行查看，方便監(jiān)管人員對(duì)無(wú)人機(jī)的操控以及對(duì)危險(xiǎn)環(huán) 境的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于無(wú)人機(jī)的變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合運(yùn)用嵌入式、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的環(huán)境和設(shè)施的監(jiān)測(cè)、保護(hù)。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，充分利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)防報(bào)警的應(yīng)用需求，拓展能力好，可以有效的節(jié)約能源，具有實(shí)際推廣和應(yīng)用價(jià)值，擁有極大的市場(chǎng)前景。

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作者單位

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市 300222