無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及自適應濾波器的設(shè)計

（上海電力學院 自動化工程學院，上海 200090）

隨著科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)的智能化管理和智能監(jiān)控已變?yōu)槲磥黼娏π袠I(yè)的主要發(fā)展趨勢和方向。由于電力系統(tǒng)中電網(wǎng)建設(shè)施工涉及到項目管理、土木建筑、電氣工程等多個專業(yè)，以及日常設(shè)施維護檢修的繁瑣，高壓架空線的放線施工就是其中的一項。架空線施工中牽引板的運行處于工作人員無法涉足的高空，甚至肉眼也很難準確判斷走板的傾斜情況。倘若架線施工是在一個實地環(huán)境比較惡劣、地形復雜不一、多個行業(yè)交叉作業(yè)的場合下進行，各種潛在的施工安全風險和安全隱患都極其不適合施工，嚴重影響施工的效率和進度，所以引入角度數(shù)據(jù)無線監(jiān)控裝置，將采集到的數(shù)據(jù)能夠通過無線傳輸?shù)降孛妫孛娴墓ぷ魅藛T可以直觀、方便地觀察到牽引板的實時運行狀態(tài)。整套系統(tǒng)經(jīng)過實驗室初期的組裝調(diào)試后，已經(jīng)在高壓架空線施工現(xiàn)場實際測試，測試結(jié)果不僅解決了上述的眾多問題，而且方便施工人員之間的溝通交流，并得到一致好評。

1 系統(tǒng)的主要工作流程

整個監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸及顯示的相關(guān)功能流程如圖1所示。首先，單片機完成相關(guān)端口引腳以及MPU6050加速度傳感器的初始化，等待傳感器采集數(shù)據(jù)。單片機內(nèi)部程序會對采集的角度數(shù)據(jù)進行處理和合成，預處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過自適應濾波器再處理后輸出。然后，過濾后的輸出數(shù)據(jù)通過串口傳輸給WIFI232無線模塊，后者再將數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸給地面客戶端。最后，在設(shè)備的監(jiān)控范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)接收客戶端便能夠接收無線模塊傳輸來的數(shù)據(jù)，并在PC界面上顯示，供施工人員監(jiān)控。

圖1 整個系統(tǒng)的工作流程Fig.1 Work flow chart of the entire system

2 無線平衡走板狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

無線平衡走板狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由單片機模塊、加速度傳感器采集模塊和無線傳輸模塊以及其他模塊構(gòu)成，結(jié)合自適應濾波器算法，依次完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，最終的角度數(shù)據(jù)在地面客戶端上顯示，下面分別對各個模塊具體介紹。

2.1 AT89S52單片機模塊設(shè)計

AT89S52單片機是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，與MCS-51系列單片機產(chǎn)品兼容，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)編程，亦適用于常規(guī)編程器。8位靈巧的CPU和系統(tǒng)可編程Flash使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。它的具體標準功能為片內(nèi)集成256字節(jié)程序運行空間、8 K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64 K外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在0～33 MHz之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設(shè)置低功耗模式、看門狗和斷電保護。AT89S52單片機系統(tǒng)板上為用戶預留了ISP下載接口，根據(jù)自身需要用USB數(shù)據(jù)制作成下載線。采用單片機最小系統(tǒng)控制總線中的串行接收口RXD口接收加速度傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，然后通過串行輸出口TXD連接WIFI232無線路由器的RXD口，從而將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2 WIFI232無線傳輸模塊

USR-WIFI232-B是一塊集無線數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的模塊，可采用802.11b/g/n 3種無線標準，為用戶提供了較大的選擇空間，無線發(fā)射功率包含802.11b：-20 dBm（Max）、802.11g：-18 dBm（Max）、802.11n：-15 dBm（Max），能夠滿足電力行業(yè)施工工程中監(jiān)控信號的不同傳輸要求，與用戶裝置或者其他數(shù)據(jù)接收裝置進行很好的匹配。該無線模塊還外置天線，大大增強了無線信號的發(fā)射性能。

無線監(jiān)控系統(tǒng)是掛載在無線路由器上，稱之為主路由器。通過修改WIFI232無線路由器的工作模式為 Station模式，連接到主路由器上，然后給WIFI232分配固定的IP地址，最后調(diào)整WIFI232無線路由的串口和網(wǎng)絡(luò)模式設(shè)置，從而完成無線裝置的掛載。通過這樣的方式能夠掛載多個無線裝置，不僅能夠擴展無線裝置的監(jiān)控范圍，而且可以多線程同時開展施工[1-2]。

2.3 加速度傳感器采集模塊

MPU6050是9軸運動處理傳感器，它集成了3軸加速度計，以及1個可擴展的數(shù)字運動處理器，可用I2C接口連接1個第三方的數(shù)字傳感器。擴展之后就可以通過其I2C或SPI接口輸出一個9軸信號。模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，可以兼容3.3 V～5 V嵌入式系統(tǒng)，能夠與AT89S52單片機直接相連[3]。該傳感器模塊能夠在動態(tài)環(huán)境下準確輸出模塊的當前姿態(tài)，姿態(tài)測量精度能夠達到0.01°，穩(wěn)定性極高，性能甚至優(yōu)于某些專業(yè)的傾角儀，將其作為無線監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)采集模塊。MPU6050采用3個16位的ADC將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，傳感器的測量范圍是用戶可控的，分為±2 g，±4 g，±8 g，±16 g，根據(jù)實際需求可以在主程序中修改，從而設(shè)定合適的量程。

2.4 數(shù)據(jù)采集

整個系統(tǒng)主要連接：MPU6050傳感器模塊的串行輸出口TXD與單片機的串行輸入口RXD相連，而單片機的TXD口與WIFI232無線模塊的RXD相連，單片機與WIFI232模塊是RS232方式通信，然后將其他必須的VCC、GND等端口連接完整[4]。完成上述連接后，將所有模塊封裝在用3D打印機制作的外觀模型中[5]，在實驗室調(diào)試好系統(tǒng)的水平狀態(tài)。在高壓架空線放線施工現(xiàn)場，該無線裝置固定在架空線牽引走板表面的正中央位置[6]。

3 自適應濾波器設(shè)計及實驗結(jié)果

在實際現(xiàn)場施工中，監(jiān)控裝置會受到各種各樣的噪聲或干擾的污染，它們有可能是加速度傳感器的誤差，有可能是電磁感應的誤差，甚至是測量不規(guī)范帶來的誤差等等，因此對獲取的工程數(shù)據(jù)進行后續(xù)再處理也是十分有必要的。利用濾波器技術(shù)可以從復雜的信號中提取所需要的真實信號，同時抑制噪聲或干擾信號，以便更有效地利用原始信號。

自適應濾波器是由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和自適應算法2部分組成。自適應濾波器是在部分數(shù)據(jù)信號特征未知的情況下，根據(jù)瞬時平方誤差最小的準則，從已知的部分信號特征決定的初始條件出發(fā)，按照自適應算法進行一定次數(shù)的遞推，已統(tǒng)計逼近的方式收斂于最佳解。當受污染的輸入信號的統(tǒng)計特性未知，或者輸入信號的統(tǒng)計特性變化時，自適應濾波器能夠自動迭代調(diào)節(jié)自身的濾波器參數(shù)，以滿足瞬時平方誤差最小的準則要求，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。因此自適應濾波器具有自我調(diào)節(jié)和跟蹤能力。在非平穩(wěn)環(huán)境中，自適應濾波器在一定程度上還可以跟蹤信號的變化[7]。系統(tǒng)的采集頻率為20 Hz，將某時刻之前500 ms時濾波器的輸出數(shù)據(jù)作為當前時刻的期望信號，誤差為當前時刻的期望信號與實際輸出信號之差，通過不斷的迭代，使瞬時平方誤差不斷減小，并達到最小值，其原理如圖2所示。

圖2 自適應濾波器的原理Fig.2 Adaptive filter schematic

為了驗證設(shè)計的自適應濾波器在數(shù)據(jù)去噪應用中的濾波性能，下面從實際工程數(shù)據(jù)方面分1°、45°和90°3種情況對采集到的數(shù)據(jù)截取一段進行驗證。圖3、圖4和圖5是當平衡走板分別以1°、45°和90°運行時自適應濾波器的實際輸入、實際輸出和誤差對比，以及相應的最小平方誤差曲線[8]。

圖3 平衡走板以1°平穩(wěn)運行Fig.3 Traction plate running at 1°smoothly

圖4 平衡走板以45°運行Fig.4 Traction plate running at 45°smoothly

圖5 平衡走板以90°運行Fig.5 Traction plate running at 90°smoothly

從這3組實驗可以看出，當平衡走板以不同的姿態(tài)運行時，收集到的數(shù)據(jù)信號中會混入其他噪聲的干擾，但自適應濾波器能夠從開始的一段數(shù)據(jù)學習出相關(guān)的特性，隨著算法的遞推，在之后的迭代中不斷調(diào)整參數(shù)，從而快速收斂，瞬時平方誤差逐漸減小，并最終趨于零，實際輸出與平衡走板以不同角度穩(wěn)定運行時基本吻合的角度數(shù)據(jù)，表明了該自適應濾波器擁有比較理想的濾波效果。

4 顯示界面的設(shè)計及數(shù)據(jù)顯示

監(jiān)控裝置采集到數(shù)據(jù)并經(jīng)過自適應濾波器處理輸出，由WIFI232無線模塊發(fā)射出去，此時需要一個數(shù)據(jù)接收的客戶端。在此采用Visual Studio開發(fā)軟件基于C#語言自行設(shè)計出能夠安裝在Windows系統(tǒng)PC機上的應用程序。C#是一種全新的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，包含了很多類，諸如Socket類、TcpClient類、TcpListener類、NetWorkStream類等，這些類都是進行網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計所必須的，創(chuàng)建和使用TCP連接，并監(jiān)聽來自TCP客戶端應用程序的連接要求，處理網(wǎng)絡(luò)形式的數(shù)據(jù)流。來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流的接收和顯示流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流接收和顯示流程Fig.6 Network data stream receiving and showing flowchart

WIFI232無線模塊的固定IP地址是內(nèi)嵌在界面底層中。地面客戶端的顯示界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)接收顯示界面Fig.7 Data reception display interface

這樣就可以獲取來自施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并將其顯示在客戶端界面上。

5 系統(tǒng)整體性能

整個系統(tǒng)裝置內(nèi)置4.5 V移動電源，保證了該裝置的便攜性，并提供了各個模塊穩(wěn)定工作所需電壓，主路由端外接定向天線，保證了整個施工現(xiàn)場的無線覆蓋范圍。另外，根據(jù)工程對平衡走板運行狀態(tài)的監(jiān)控要求，還可以在程序中修改設(shè)備的波特率從而調(diào)整客戶端接收數(shù)據(jù)的頻率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠。整個設(shè)備的具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 無線平衡走板狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of wireless balanceplate condition monitoring system

6 結(jié)語

伴隨著數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，電力行業(yè)等專業(yè)領(lǐng)域的實時監(jiān)控也提出越來越高的人為要求。本文將AT89S52單片機、MPU6050加速度傳感器和WIFI232無線路由器有效地結(jié)合起來，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)經(jīng)自適應濾波器過濾后輸出，再通過無線的方式發(fā)送出去。經(jīng)過現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)能夠給用戶提供一個良好的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。該裝置的原材料獲取途徑方便，成本低，適用范圍廣，具有一定的市場推廣價值。最后，根據(jù)現(xiàn)場施工的實際數(shù)據(jù)對自適應濾波器經(jīng)過多組實驗驗證，得出該自適應濾波器基本上能夠過濾出真實的角度數(shù)據(jù)。在之后的拓展研究中，會考慮加入更多的功能，以增強這款系統(tǒng)的工業(yè)性能，并同時改進自適應濾波器的性能。

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