無人值守電力機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、無人值守電力機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：針對目前對電力機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求與運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一基于ZigBee技術(shù)的電力機(jī)房運(yùn)行情況環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，包括協(xié)調(diào)中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩種，并且采用德州儀器公司的低功耗芯片CC2530作其通信模塊?；诖?，著重闡述了節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成和軟件程序流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該系統(tǒng)完全能夠滿足電力機(jī)房監(jiān)控的需要，監(jiān)測到異?？杉皶r進(jìn)行預(yù)警。關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；機(jī)房監(jiān)控；環(huán)境檢測中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j ki.16723198.2021.05.0941引言物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)帶來了新設(shè)計(jì)思路。隨著無人值守變電站的廣

2、泛使用，現(xiàn)有的電力機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集傳輸問題亟待解決。之前普遍應(yīng)用的有線數(shù)據(jù)采集方式因?yàn)槭艿降牡匦魏蛷?fù)雜環(huán)境因素帶來的影響多，布線復(fù)雜、維護(hù)困難、使用本錢很高，已不再適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)需要。ZigBee技術(shù)作為新型無線通訊技術(shù)中的一種，因其具有功耗低，低本錢、時延短、網(wǎng)絡(luò)的容量大、平安、可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于短距離內(nèi)的低速率數(shù)據(jù)傳輸。本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電力機(jī)房，并結(jié)合各種傳感器，可以有效的解決過去的檢測方式存在的問題，可以實(shí)現(xiàn)快速、方便地檢測電力機(jī)房的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。2關(guān)鍵技術(shù)簡介2.1ZigBeeZigBee是一種嶄新的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其在嵌入式設(shè)備中的使用是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研

3、究的新熱點(diǎn)之一。ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)是其支持自組網(wǎng)能力強(qiáng)，且自恢復(fù)能力強(qiáng)；它采用蜂巢結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個設(shè)備不僅能通過多個方向與網(wǎng)關(guān)通信，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；另外每個設(shè)備還擁有信號中繼功能，可將無線信號傳輸?shù)?000米以外。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型結(jié)構(gòu)拓?fù)?、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)?、簇狀結(jié)構(gòu)拓?fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2傳感器技術(shù)傳感器是當(dāng)代息技術(shù)支柱產(chǎn)業(yè)之一.隨著現(xiàn)代科學(xué)開展，傳感技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的作為新興學(xué)科也得到了迅速的開展，并且在工業(yè)自動化測量、航天技術(shù)、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科被廣泛地利用，對各學(xué)科的開展也有促進(jìn)作用。傳感器是實(shí)現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，由感知電路和信號處理電

4、路組成。電力機(jī)房環(huán)境檢測通常需要使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器。煙霧傳感器：電力機(jī)房中有很多電器元件，由于元件老化或者設(shè)備運(yùn)行的問題，機(jī)房內(nèi)常有火災(zāi)隱患?；馂?zāi)的初期，燃燒物質(zhì)多處于暗燃狀態(tài)，會產(chǎn)生大量的煙，所以在電力機(jī)房中安裝煙霧傳感器可以起到預(yù)報(bào)警的作用。本系統(tǒng)選用21R088光電煙霧傳感器。溫濕度傳感器：為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)房中溫控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時的控制，本系統(tǒng)配備了一種全新智能溫濕度傳感器SHT11，這樣可以實(shí)時在線的采集電力機(jī)房內(nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，該傳感器因其具有良好的實(shí)時性、高精的測量精度、強(qiáng)大的抗干擾能力等特點(diǎn)，廣泛用于各種溫度監(jiān)控及溫度測控系統(tǒng)中。3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包

5、括：終端環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及信息綜合處理層等局部。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器和假設(shè)干個終端路由節(jié)點(diǎn)來組成，這里協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的中樞，它負(fù)責(zé)組織無線網(wǎng)絡(luò)的建立并在組網(wǎng)完成后監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。終端傳感器節(jié)點(diǎn)那么是各類帶有ZigBee芯片的傳感器。協(xié)調(diào)器與上位機(jī)由USB串口相連，路由器在數(shù)據(jù)上行側(cè)與效勞器相連，完成無線傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。效勞器用來存放電力機(jī)房的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過Web站點(diǎn)發(fā)布出去?？偱_的遠(yuǎn)程用戶可以由遠(yuǎn)程終端訪問Web站點(diǎn)監(jiān)測控制機(jī)房特定設(shè)備。4硬件設(shè)計(jì)介紹系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的配置是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在，而對于本無線傳感網(wǎng)來說，所關(guān)注的重點(diǎn)是各類傳

6、感器的選擇和無線傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的硬件主要包括終端傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊兩大局部。4.1終端節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的底層設(shè)備，以德州儀器公司的CC2530芯片為核心，是帶有各類傳感功能的網(wǎng)絡(luò)子點(diǎn)。圖3為終端節(jié)點(diǎn)的硬件組成圖。CC2530是一個真正用于802.15.4的ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，它可以以降低的本錢來組建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530可以實(shí)現(xiàn)的功能共有3局部：1通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集；2由無線RF模塊完成所得數(shù)據(jù)的收發(fā)；3控制開關(guān)繼電器做出動作。終端節(jié)點(diǎn)模塊主要由電源、外接模塊、開關(guān)繼電器、RF收發(fā)器和顯示器等局部組成。1RF收發(fā)器，該收發(fā)器的

7、外圍電路為特性阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，所用天線為負(fù)極性天線；兩者的對應(yīng)接口情況為：Pin25與RF_N鏈接，Pin26與RF_P聯(lián)結(jié)。2開關(guān)繼電器，應(yīng)用CC2530芯片發(fā)出的驅(qū)動的信號控制開關(guān)繼電器中的電磁線圈的開與閉，實(shí)現(xiàn)對智能效勞設(shè)備電源電路的閉合開路控制。3LED顯示，該模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的組網(wǎng)狀態(tài)的顯示以及個基點(diǎn)自身測量數(shù)據(jù)的顯示。4電源局部，在電源模塊中，采取鋰電池供電模式。使用正穩(wěn)壓器集成DC-DC變換器LM317為系統(tǒng)提供2.4V的輸出電壓，向系統(tǒng)供電。5傳感器模塊外接模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動電路及信號處理電路。4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心局部，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和控

8、制指令的傳輸和數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，然后在PC機(jī)和效勞器完成數(shù)據(jù)發(fā)布。為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互和實(shí)時顯示，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了小鍵盤及液晶顯示器，如圖4所示。1串口通信模塊，該模塊選用常用的8251A芯片，它是一種可進(jìn)行編程的通用同步/異步接收發(fā)送器，常作為串行通信接口，使用起來非常方便靈活。2顯示器局部，顯示器主要負(fù)責(zé)顯示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時工作狀臺，這里選用LCD12864液晶顯示器，采用SPI總線數(shù)據(jù)傳輸傳輸形式。3按鍵模塊，按鍵模塊為4×3矩陣鍵盤，主要是數(shù)字鍵0到9以及刪除和發(fā)送等命令。5軟件設(shè)計(jì)介紹系統(tǒng)通信頻段選用公共頻率2.4GHz，此時數(shù)據(jù)的傳輸速率為250kbit/s。采用IEEE802

9、.15.4協(xié)議中的載波檢測多路訪問碰撞防止機(jī)制來防止通信沖突，在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的過程中，任何設(shè)備需要發(fā)送信息，都必須先發(fā)出一個空閑信道評估CCA指令來確定該信道是否空閑，當(dāng)確定信道未被占用之后才進(jìn)行信息發(fā)送。5.1協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)同意節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、組建無線網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)信息等。協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)的核心局部，由它來選取該網(wǎng)絡(luò)的NAI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，并檢測其他要求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識，對符合要求的入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定；接收由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來的測量值，然后對這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理；再通過串口把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)端進(jìn)行分析和后

10、續(xù)處理。所以，這里的協(xié)調(diào)器需要實(shí)時的處于激活的工作模式，不間斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。協(xié)調(diào)器的具體工作流程如圖5所示。5.2終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)會不斷發(fā)出參加網(wǎng)絡(luò)的請求，直到得到協(xié)調(diào)器返回允許入網(wǎng)的回應(yīng)，并自動的參加到網(wǎng)絡(luò)中；假設(shè)是沒能找到協(xié)調(diào)器，終端傳感器節(jié)點(diǎn)那么會進(jìn)行周期性的搜尋，直到得到協(xié)調(diào)器的回應(yīng)。終端節(jié)點(diǎn)參加到由協(xié)調(diào)器組件的網(wǎng)絡(luò)之后，它就會和協(xié)調(diào)器一樣，具有數(shù)據(jù)收發(fā)功能，終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)利用傳感器去采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，并接受協(xié)調(diào)器的控制指令對執(zhí)行器做出操作。出于對終端傳感器節(jié)點(diǎn)在減少電能損耗方面的考慮，我們的各類節(jié)點(diǎn)都盡量選用了低功耗的芯片和信號發(fā)射器，但是即便如此終端節(jié)點(diǎn)的能耗相對于

11、他自身的電池容量還是很巨大的；基于此，在系統(tǒng)中為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置了數(shù)據(jù)采集和休眠兩中運(yùn)行模式。無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功之后，上位機(jī)的應(yīng)用程序會收到回復(fù)，工作人員在上位機(jī)對終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，設(shè)置休眠時間和采集頻率H，之后終端節(jié)點(diǎn)自動開啟休眠模式，直到休眠結(jié)束，降低終端節(jié)點(diǎn)的耗電量。周期數(shù)據(jù)采集期間，終端節(jié)點(diǎn)安著設(shè)置的采集頻率和采集時間間隔對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，完成一個周期的書籍采集任務(wù)后，節(jié)點(diǎn)又會自動回到休眠狀態(tài)。對于需要完成一定控制任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，那么會循環(huán)接收協(xié)調(diào)器播送發(fā)出的命令信息，當(dāng)接收到指令并經(jīng)過識別是發(fā)給自己的指令，然后終端節(jié)點(diǎn)開始操作執(zhí)行器，完成指令操作。終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示。6實(shí)

12、驗(yàn)結(jié)果在某電力機(jī)房內(nèi)布置假設(shè)干傳感器節(jié)點(diǎn)，分別對機(jī)房內(nèi)的溫度、火焰、煙霧進(jìn)行監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)放置在機(jī)房的控制中心。對機(jī)房內(nèi)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸測試時，從中選取出4組環(huán)境數(shù)據(jù)，表1所示是實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析可以得出終端傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的最大距離不應(yīng)超過10米，因?yàn)槭覂?nèi)的設(shè)備比較多，這對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信號傳輸有很大的影響；而反觀終端節(jié)點(diǎn)同協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在10米以內(nèi)的時候，兩者相距越近時，數(shù)據(jù)的傳輸就會越快速準(zhǔn)確。經(jīng)過測試，系統(tǒng)中所用到的溫度傳感器的測量精度很高，其平均測量誤差在百分之1.3左右，是在可控范圍之內(nèi)的。另外在進(jìn)行煙霧濃度和火焰的測試時，傳感器所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，當(dāng)上位機(jī)檢測到量值超出了設(shè)定范圍，就會把發(fā)生變化的位置變?yōu)榧t色在上位機(jī)屏幕上顯示，同時給控制中心管理員的發(fā)報(bào)警。7總結(jié)針對目前電力行業(yè)對電力機(jī)房平安和智能化的需求，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一種電力機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有低能耗、低本錢、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，上位機(jī)人機(jī)交互界面極具人性化，具有很好的通用性，非常適合在無人值守電力機(jī)房中推廣使用。參考文獻(xiàn)【1】張程.電力系統(tǒng)信息機(jī)房環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.成都：電子科技大學(xué)，2021.【2】易健翔，秦肖臻，汪