基于無線傳感器網絡的變電站設備溫度監測系統設計

童凡杰

摘 要 本文通過引入無線傳感器網絡技術，對變電站設備溫度監測系統進行了設計，它能對重要的電力電氣設備的溫度進行在線監測，具有較高的現實意義和使用價值。

關鍵詞 無線傳感器網絡，變電站設備，溫度監測，節點

1引言

變電站設備是電力生產的重要設備，它們在電力系統中的地位異常重要，但變電站設備在正常的運行應用過程中，極容易因為裝置設備老化或者是溫度過高等問題，發生運行故障事故，這會對于電力系統的安全穩定運行會產生不利影響。基于無線傳感器網絡的變電站設備溫度監測系統，就是為了保證變電站設備安全運行而設計的。該系統能夠實現溫度數據的采集、融合和傳輸，是保證整個電力系統安全穩定運行的重要手段。

2系統的測溫原理

本系統使用在線式紅外測溫儀對變電站敏感設備進行溫度測量。測溫儀采用固定安裝的方式，以使被測設備輻射出的紅外能量易于被紅外測溫儀的物鏡接受為安裝原則。首先，變電戰運行過程中，被測設備輻射出的紅外能量通過測溫儀的物鏡匯聚到紅外探測器上；然后，探測器將輻射能轉換成電信號，又通過前置放大器、主放大器將信號放大、整形、濾波后，經過A/D轉換電路處理，輸入微處理器；最后，微處理器在內部經過線性化處理、溫度補償和發射率修正后，把溫度值通過無線傳感器網絡上報給監控室的主控計算機。

3系統的總體方案

基于無線傳感器網絡的變電站設備溫度監測系統包括硬件系統和軟件系統兩部分。硬件系統主要包括：溫度采集節點（主要部分是溫度采集傳感器）、匯聚節點和監控室的主控計算機組成。軟件系統包括匯聚節點和溫度采集節點的程序設計。

數據采集節點的溫度傳感器負責測量現場溫度，微處理模塊負責對采集數據進行預處理，并通過nRF905射頻收發器芯片將處理數據上報給匯聚節點。匯聚節點按照一定的頻率間隔陸續監聽各個采溫節點上報的設備溫度，并將其與該設備設定的報警溫度閾值進行比較，若正常則繼續監聽下一個采溫節點上報的設備溫度；否則，將該異常數據以通過RS485總線的方式上報給監控室的主控計算機，并同時通過nRF905射頻收發器芯片對采溫節點下達溫度跟蹤采集上報的命令，采溫節點的微處理器在收到命令后，將控制安裝在變電站監測設備上的溫度傳感器對設備溫度進行跟蹤采集。監控室主控計算機通過RS485串行總線的方式自動周期地從匯聚節點讀取所接收的測溫數據，并對數據進行分析，發現超過警戒的溫度或溫度發生異常波動的則及時報警。此外，測溫數據還可以在主控計算機中長期存儲以供查詢，在設備發生故障時，技術人員可以對設備溫度的走勢進行分析以輔助故障處理。

4系統的硬件設計分析

4.1溫度采集節點的硬件設計

1.微處理器模塊

微處理器模塊采用MSP430F149 為主芯片，其電路部分主要包括與無線通信單元的接口、與溫度數據采集單元的接口和與撥碼開關的接口等，具有功耗低、處理能力強、體積小、性能穩定以及方便高效的開發環境等特點，并且其運行溫度范圍能夠適應變電站的工作環境，非常適合于開發低功耗、小型化的遠程智能監控終端設備。

2.溫度采集模塊

本系統將在電力電氣設備的易發熱部位裝設由攝像機、數字云臺、紅外測溫儀等組成的溫度采集模塊，該模塊能夠自動保存每次溫度采集的記錄，精度較高，滿足使用要求。

3.無線通信模塊

該模塊采用單片射頻收發器芯片 nRF905， 其電路部分主要包括與 MSP430F149 接口電路、晶振電路和天線部分電路三部分，最高發射速率50 kb/s，10 dB 發射功率條件下，配置外置鞭狀天線的有效通信距離為300 m 左右。

4.電源模塊

電源模塊采用TPS60100 芯片，通過鋰一次電池供電提供3.3V 電壓。

4.2匯聚節點的硬件設計

匯聚節點硬件設計要滿足以下功能：（1）通過無線通信模塊匯聚溫度采集節點采集到的溫度信號；（2）將采集到的溫度信號進行分析處理，并嵌入到RS485總線上，等到主控計算機采集；（3）將節點地址、節點參數以及溫度采集節點上報的溫度數據進行存儲，以防丟失。

根據匯聚節點電路要實現的功能，本文將匯聚節點的硬件組成框架設計成如圖1所示，由微處理模塊、無線通信模塊、串行通信模塊、存儲模塊和電源模塊五部分。

圖1 匯聚節點的硬件組成框架

匯聚節點的微處理模塊和無線通信模塊與數據采集節點的相應模塊原理相同，故不作重復介紹。下面將對其它模塊進行介紹。

1.串行通信模塊

該模塊設計了標準的RS485 總線接口，一方面將匯聚節點處理好的溫度數據傳輸給主控計算機，另一方面根據主控計算機的控制命令對模塊進行控制。

2.存儲模塊

該模塊采用AT24C02存儲器，工作電壓為5V，主要用于存儲數據采集節點和匯聚節點的地址和配置信息，以及最近一次的溫度數據。存儲這些信息一方面是為了防止溫度數據遺失，另一方面則是為了給匯聚節點與主控計算機的通信提供依據。

3.電源模塊

微處理模塊和無線通信模塊的供電電壓是3.3 V，串行通信模塊和存儲模塊的供電電壓是5 V。因此，本模塊使用了兩個電源芯片 LM2575 和 LM1117-3.3，以分別提供 5 V和3.3 V 電壓。

5系統的軟件設計分析

5.1數據采集節點的軟件設計

數據采集節點的任務就是解析匯聚節點的命令、采集溫度數據、根據時隙優先級計算定時時間、發送數據到匯聚節點。其程序流程主要如下：

Step1：關閉看門狗定時器WDT并進行系統初始化；接著打開WDT，置無線通信模塊為接收模式，等待并接受匯聚節點發來的組網信號，接著等待匯聚節點的應答信號。若一直沒收到則返回組網，若收到，則開始接受匯聚節點的溫度采集命令。

Step2：進入采溫周期的循環，即先監聽匯聚節點的采集溫度命令（同時也是同步信號），各個數據采集節點在接收到這個采溫同步命令之后，解析出自己的時隙，啟動定時器開始一個采樣周期。

Step3：采樣周期結束后，各個溫度數據采集節點根據同步信號的時隙安排將采集好的溫度數據發送給匯聚節點。

Step4： 無線通信模塊在發送完溫度數據之后，設置nRF905為掉電模式，MSP430F149休眠，等待下一個匯聚節點的采集溫度命令。

5.2匯聚節點的軟件設計

匯聚節點在系統中起著承上啟下的作用，其程序流程主要如下：

Step1：對系統進行初始化，初始化完成之后程序進入周期循環，置nRF905為發送模式并連續發生三次組網信號。若有節點申請加入，則返回一個應答信號；若沒有節點申請加入，則直接進入下一階段。

Step2：匯聚節點對在網的各個溫度數據采集節點發送采集溫度的命令；接著設定等待時間，這段時間是溫度數據采集節點的采樣時間，采樣定時時間到，關閉串口中斷，接收各個節點返回的溫度數據。

Step3：若匯聚節點三次沒有收到在網的溫度數據采集節點返回的任何數據，則默認該節點已退出網絡。

Step4：匯聚節點處理完溫度數據之后，打開串口中斷，響應串口命令，直到定時時間到，重新發送組網信號。

6結束語

總之，基于無線傳感器網絡的變電站設備溫度監測系統具有功耗小、采樣精度高、系統穩定性好等特點，值得在實踐領域進行廣泛推廣應用。

參考文獻

[1] 王海倫，蔡志宏，范一鳴.電氣設備溫度監測的無線傳感器網絡節點設計[J]. 傳感器與微系統， 2011， 30（7）： 97-99

[2] 沈楚焱，楊鵬，史旺旺.基于無線傳感器網絡的預裝式變電站測控系統[J].機電 工程， 2012， 29（10） ：1213-1216