基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力器具管理研究

溫 佳

（華北電力大學(xué) 北京 102206）

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN是一種新型的自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點群可以在任何時刻、任何區(qū)域無需基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，就可以快速組織一個自組織的、可自動對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置、管理和以多跳路徑傳遞數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN有不同的特點：傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有固定的基站，移動節(jié)點直接與基站通信，相互之間不直接通信，設(shè)計遵循“端到端”的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)；而WSN是以被監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)為中心[1]。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都處于平等地位，每個節(jié)點兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C(jī)兩種功能，不但感知數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)，還要參與路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)以及具有組織建立網(wǎng)絡(luò)的功能。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展依賴于傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它們分別完成被測量的提取、傳輸和處理[2]。

早在20世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感器控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，人們把它歸結(jié)為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相連，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。從20世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成[3]。2009年1月，在美國總統(tǒng)奧巴馬與美國工商領(lǐng)袖的“圓桌會議”上，IBM公司CEO提出“智慧地球”的概念，即把傳感網(wǎng)應(yīng)用在社會的各行各業(yè)中，這一想法得到了各屆的極大關(guān)注。隨后，歐洲以及日本均大力投資于無線傳感網(wǎng)的建設(shè)中。我國也加入了這一巨大浪潮，2009年8月7日，溫家寶總理在無錫就傳感網(wǎng)發(fā)表談話，提出“感知中國”的概念，吹響了我國向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)軍的沖鋒號角[4]。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無線傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點（sink節(jié)點）、傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

這些無線傳感器節(jié)點功能相同或不同，以Ad-hoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，每一個傳感器節(jié)點由傳感器模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、處理器模塊(CPU、存儲器)、無線通信模塊(D/A轉(zhuǎn)換器、收發(fā)器)和供電模塊等組成。

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點可協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被探測對象的物理信息，并且將這些信息通過短程或遠(yuǎn)程的傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心進(jìn)行處理。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有智能功能，所以節(jié)點本身就可以實時處理采集到的現(xiàn)場被監(jiān)測物理量的信息。通過自主選擇最佳路由，各個節(jié)點將采集到的信息傳送給sink節(jié)點，sink節(jié)點匯聚收到的信息后，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端監(jiān)控中心。

2 電力器具管理現(xiàn)狀

電力行業(yè)是一個裝備密集型產(chǎn)業(yè)，電力設(shè)備占電力企業(yè)資產(chǎn)的70%，是電力企業(yè)資產(chǎn)管理的主要內(nèi)容。電力器具管理尤為重要，管理內(nèi)容主要指的是檢查設(shè)備儀器運行狀況、設(shè)備資料整理、配件庫存量統(tǒng)計、設(shè)備維修記錄、設(shè)備保養(yǎng)情況、設(shè)備借用情況和設(shè)備防盜等。

當(dāng)今電力器具管理主要存在的問題有：設(shè)備種類繁多、設(shè)備價值高、存放地點分散、設(shè)備資料分散，難以做到賬物一一對應(yīng)，后續(xù)管理工作繁雜；配件數(shù)量繁多，庫存數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；盲目購進(jìn)設(shè)備，重復(fù)采購現(xiàn)象嚴(yán)重，需要制定合理的庫存計劃和采購計劃。由于電力設(shè)備種類多，價值高，這些問題的出現(xiàn)會導(dǎo)致管理混亂，開銷增大，難以掌握庫存設(shè)備信息等情況。大量管理人員的存在使得不僅容易出現(xiàn)人為錯誤，而且加大了在人力方面的投資。

20世紀(jì)90年代以來，在發(fā)電廠中發(fā)展新的設(shè)備管理技術(shù)已成了發(fā)電廠最重要的任務(wù)之一。這是因為，發(fā)電廠電氣設(shè)備的安全運行非常重要，任何意外故障都可能造成重大事故，停電會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這在當(dāng)前競爭日趨激烈的環(huán)境下尤為顯著，而設(shè)備本身是發(fā)電廠的貴重資產(chǎn)并消耗大量維護(hù)費用。隨著國家對電力系統(tǒng)企業(yè)安全問題的日益重視和監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)以及電力企業(yè)自動化程度的不斷提高，建立一套有效可靠的人員、設(shè)備監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)已成為許多電力系統(tǒng)企業(yè)管理的迫切要求之一。目前，我國大中型電廠及鄉(xiāng)鎮(zhèn)小電廠已大量裝備了安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，這些安全裝備的推廣應(yīng)用大大改善了我國電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)狀況。但是，目前電力企業(yè)還普遍存在工作人員管理困難，管理人員難以及時掌握工作人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對工作人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，效果不理想[6]。

3 應(yīng)用方案設(shè)計

針對不同的電力設(shè)備管理方面，下面將給出不同的應(yīng)用方案設(shè)計。

3.1 作業(yè)現(xiàn)場人員及設(shè)備調(diào)度管理

針對電力企業(yè)現(xiàn)場作業(yè)人員多、設(shè)備多、現(xiàn)場場地大、不利于有線網(wǎng)絡(luò)布置、管理調(diào)度困難等問題，WSN可有效減緩這一問題。在作業(yè)現(xiàn)場布置WSN，只需在恰當(dāng)距離處放置WSN節(jié)點，形成覆蓋整個現(xiàn)場的無線網(wǎng)絡(luò)，再與傳輸網(wǎng)相連通至后臺監(jiān)控中心。

工作人員佩戴裝有記錄個人信息標(biāo)簽的工作帽，標(biāo)簽記錄進(jìn)出限制、考勤作業(yè)、監(jiān)測監(jiān)控等多方面的管理信息。當(dāng)工作人員在現(xiàn)場區(qū)域內(nèi)走動時，WSN會自動讀取其工作帽上標(biāo)簽的信息，實時傳入后臺，即可實現(xiàn)電力系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)出的有效識別和監(jiān)測監(jiān)控。在現(xiàn)場移動設(shè)備上粘貼記錄其信息的標(biāo)簽，這樣通過WSN的實時監(jiān)測，后臺總調(diào)度處即可隨時掌握該移動設(shè)備的位置情況，便于統(tǒng)一調(diào)度設(shè)備運作，提高效率。這樣可使管理系統(tǒng)充分體現(xiàn)“人性化、信息化和高度自動化”，實現(xiàn)數(shù)字電力系統(tǒng)的目標(biāo)，發(fā)生安全事故時，通過系統(tǒng)立刻可以知道該作業(yè)面工作人員及其數(shù)量以及移動設(shè)備的位置情況，保證搶險救災(zāi)和安全救護(hù)工作的高效運作，如圖2所示。

3.2 電力局倉庫進(jìn)出管理

我國現(xiàn)在的電力局倉庫管理還是采用以人工管理為主的方式。人工管理存在費時費力、人為失誤、驗貨核對困難等問題，且用于向計算機(jī)傳送信息的U盤可能攜帶病毒，一旦感染系統(tǒng)，可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰等不可預(yù)料的后果，將WSN應(yīng)用于此將會有效解決上述問題。要求廠方在每件貨物上粘貼標(biāo)簽，上面記錄貨物信息，到貨時，只需要在卸貨的通道口設(shè)置小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點自動讀取標(biāo)簽上記載的信息，并選擇合適的路徑傳輸?shù)胶笈_管理系統(tǒng)，這樣就可以實現(xiàn)無需拆開商品的包裝并隔著一段距離掃瞄里面的貨物，從而避免了廠方由于裝箱錯誤，或是數(shù)據(jù)盤信息錯誤帶來的工作時間延誤。一般到貨通道都設(shè)置在自動倉庫入口的附近，所以通過數(shù)據(jù)庫的兼容可以直接將掃描過的貨物放入自動倉庫的傳送帶，根據(jù)操作人員的設(shè)定由操作機(jī)進(jìn)行指定垛堆的堆放，甚至可以拓展自動倉庫的功能。根據(jù)WSN所獲得的信息自動判斷，并指定相應(yīng)類型的空垛堆。從而省去了搬運人員整理、排序的工作，也可直接將到貨納入臨時管理庫中，使整個流程更加的緊密。

3.3 溫度濕度火情監(jiān)測管理

在電力器具倉庫或作業(yè)現(xiàn)場中，部署若干個無線傳感器節(jié)點，對環(huán)境溫度濕度進(jìn)行監(jiān)測，各個節(jié)點將選擇最佳路徑將采集到的信息傳送到sink節(jié)點，再由sink節(jié)點上的通信模塊將數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)送往后臺監(jiān)控中心，以便后臺監(jiān)控現(xiàn)場信息。當(dāng)處于溫濕度不合理狀態(tài)時，WSN能立即監(jiān)測出來，向后臺監(jiān)測中心發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心即可調(diào)節(jié)倉庫或作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)溫度濕度，防止由溫度過高引起的火災(zāi)發(fā)生。

4 結(jié)束語

本文對電力器具管理系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了幾種應(yīng)用方案。這些方案可用來解決電力器具管理中人工管理耗時耗力、人工誤差大，作業(yè)現(xiàn)場人員設(shè)備流動情況難于掌握，預(yù)防火災(zāi)等問題。

1 Govinda R,Hellerstein J,Hong W,et al.The sensor network as a database.In:Technical Report 02-771,Los Angeles,CA,USA:University of Southern California,2002.

2 Chong Chee-yee,Kurnar S P.Sensornet works:evolution,opportunities,and challenges.In:Proceedings of the IEEE,2003,91(8)

3 李善倉，張克旺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

4 亞娟.國內(nèi)外傳感網(wǎng)發(fā)展見聞與感懷.特別報道.2010(1)：24～25

5 張少軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用.北京：中國電力出版社，2010

6 楊勝春，姚學(xué)武，文孝強(qiáng).基于RFID技術(shù)的電力企業(yè)人員及設(shè)備智能安全管理系統(tǒng).東北電力大學(xué)學(xué)報，2007，27(6)：54～56