基于ZigBee技術的輸電桿塔傾斜在線監測系統設計

黃秀超 鐘建偉 張建業 黃謀甫 田家俊 朱澗楓

關鍵詞： 桿塔傾斜; ZigBee技術; GPRS通信; 遠程監控; 實時; 在線監測

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）05?0095?05

Design of transmission tower tilt on?line monitoring system

based on ZigBee technology

HUANG Xiuchao1， ZHONG Jianwei1， ZHANG Jianye2， HUANG Moufu2， TIAN Jiajun2， ZHU Jianfeng1

（1. School of Information Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi 445000， China;

2. Enshi Power Supply Company， State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Enshi 445000， China）

Abstract： The traditional tower tilt monitoring system has the disadvantages of low automation degree， inability of real?time monitoring， high cost of wired network and difficulty of expanding and maintaining. In combination with the actual demand of power system and advantages of ZigBee wireless sensor network technology， a low?power consumption， high?precision tower tilted remote monitoring system based on ZigBee technology and GPRS communication technology is designed. The overall design scheme of the system is introduced in detail， including the hardware and software design of the system such as ZigBee communication module， GPRS communication module， power module and remote detection center. The test results show that the system runs smoothly， can realize the real?time and on?line monitoring of the power transmission tower tilt in the monitored area， and has strong implementation and wide application prospect.

Keywords： tower tilt; ZigBee technology; GPRS communication; remote monitoring; real?time performance; on?line monitoring

0 ?引 ?言

隨著國家經濟的飛速發展，電能消耗越來越大，電能資源東西分布不均的矛盾日益突出，尤其是華東、華北地區的用電量急劇增加，必須通過“西電東送”將西部地區的電能資源輸送至東部地區[1]。因此高電壓輸電線路建設越來越多，高電壓線路的輸送距離長，分布區域廣，大部分處于地形復雜、環境惡劣的偏遠山區，不便于巡視和維護。在獨特的氣候條件和地理條件下，很容易發生桿塔傾斜，如果桿塔傾斜不能被及時發現，很可能引起倒塔、斷線等事故，造成重大經濟損失。目前對輸電桿塔傾斜的監測主要采用有線通信、人工巡視、視頻監控等方法[2?3]。但是有線網絡成本高、不利于擴展;人工巡視測量誤差大、受地理條件影響明顯;視頻監控只能做到事后監測。這些方法均不能讓維護人員實時了解到桿塔的運行狀態，并對潛在危險采取及時的措施，防止倒塔、斷線等事故的發生。

針對以上問題，本文設計了一種基于ZigBee技術和GPRS通信技術的輸電桿塔傾斜在線監測系統。本系統使用MPU6050傳感器對輸電桿塔的運行狀態進行數據采集，以作為在線監測和桿塔傾斜預警的依據。使用ZigBee無線網絡通信技術[4?7]完成傳感器采集到的數據和遠程監控中心下發指令在指定的無線網絡中的交互;使用GPRS通信技術實現數據的遠程傳輸;使用干電池供電，太陽能供電和可充電電池相結合的方式供能，可以在極端氣象和特殊地形條件下對輸電桿塔運行狀態進行實時監測，并及時有效地向維護人員反饋輸電桿塔的運行狀態。經實驗驗證，本設計可行性高、能耗低、監測精度滿足要求，對倒塔、斷線等事故的發生具有一定的預防作用。

1 ?監測系統方案設計

本系統由MPU6050傳感器、ZigBee通信模塊、GPRS通信模塊、電源模塊和遠程監控中心等部分組成。其中電源模塊為系統中各傳感器和通信模塊供能;MPU6050傳感器和ZigBee通信模塊構造終端采集節點，安裝在輸電桿塔上對桿塔的傾斜狀態進行數據采集;通過ZigBee無線通信模塊組建覆蓋被檢測區段的低成本、多節點的穩定無線傳輸網絡，完成MPU6050采集到的桿塔傾斜數據在本無線通信網絡三種節點之間的傳輸。ZigBee協調器節點收到子節點上傳的數據后，將數據通過串口傳到MSP430F149進行處理，然后將處理后的數據通過串口傳遞給GPRS通信模塊，運用GPRS通信技術對數據進行遠距離傳輸，最后在遠程監控中心通過數據接收設備對數據進行接收，并通過串口傳遞給PC機，利用Matlab、VB 6.0和ACCESS等軟件開發相應的操作界面和系統數據庫，對桿塔傾斜數據進行實時顯示、降噪、去噪和存儲，方便工作人員對數據進行查閱、統計和分析。監測系統結構框圖如圖1所示。

2 ?系統硬件設計

本系統的硬件設計主要包括終端節點、路由器節點、協調器節點、電源模塊以及PC機等部分。系統中三種設備的設計采用樹簇型拓撲結構[8?9]，其中路由器節點和終端節點的硬件設計相似，主要區別在于軟件設計方面，所以對于路由器節點的硬件設計不進行贅述，只對終端節點、協調器節點和電源模塊等部分進行介紹。

2.1 ?終端節點硬件設計

終端節點固定在輸電桿塔頂端，通過與之相連的傳感器對桿塔運行狀態進行數據采集，然后通過ZigBee無線通信模塊將采集到的數據打包發送給本網絡中的父節點;通過父節點接收遠程監控中心下發的指令并作出應答。終端節點硬件包括ZigBee通信模塊、傾角傳感器和電源模塊等部分，結構框圖如圖2所示。

本設計選用MPU6050傳感器，采用集成的3軸MEMS陀螺儀和加速度計進行桿塔運行狀態數據采集，然后通過內部集成的ADC處理器將輸出量轉化為數字量，并且內部還有可編程的低通濾波器，具有抗干擾性強、包裝空間小、采集精度高、能耗低等優勢。

終端節點、路由器節點和協調器節點均采用TI公司的CC2530芯片[10]。CC2530是一種用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的SoC芯片，結合領先的RF收發器和增強型8051 CPU，可以實現數據的處理和收發功能，擁有多個外設接口可以用來拓展節點的功能，此外，還具有不同的運行模式，且不同模式之間轉換響應快，可以以極低的成本組建一個多功能、高抗干擾性的無線網絡。

2.2 ?協調器節點硬件設計

協調器節點主要完成ZigBee無線網絡的組建，接收和處理各子節點上傳的數據，并通過ZigBee無線網絡向子節點發送遠程監控中心下發的指令，以及利用GPRS網絡將子節點的上行數據上傳到遠程監控中心。該部分主要包括ZigBee通信模塊、MCU模塊、GPRS通信模塊和電源模塊等，其硬件框圖如圖3所示。

MCU模塊采用TI公司的MSP430F149 MCU，它采用16位RISC架構，數據處理能力強，運算速率高，具有不同的工作模式，且不同模式之間的轉換響應快，可以在超低功耗模式下通過算法對數字信號進行處理。

GPRS模塊采用SIM800A型GSM/GPRS模塊。用戶可以通過TTL或RS 232串口實現該模塊與MCU和其他串口設備之間的數據接入，然后利用模塊內嵌的TCP/IP協議，實現GPRS網絡與Internet網絡的接入，在低功耗條件下實現信息的遠程傳輸。

2.3 ?電源模塊設計

由于本設計中三種節點的工作模式采用非信標模式[11]，綜合設備利用率和經濟性考慮，采用蓄電池對終端節點供能，采用太陽能供電和可充電電池相結合的模式對路由器節點和協調器節點供能。系統中CC2530芯片的工作電壓為2.0～3.6 V，且MSP430F149和MPU6050等元件的工作電壓均為3.3 V左右，所以采用3.3 V電壓作為系統中三種節點的供電電壓。

3 ?系統軟件設計

本文第2部分介紹的硬件設計只能完成本系統物理層的部分功能，物理層以上的功能需要借助軟件來完成。本設計用Z?Stack ?CC2530?2.3.0?1.4.0作為ZigBee協議棧，用IAR EW8051?8.1作為軟件開發環境，所有程序在開發環境中完成編譯和調試后，通過下載器燒寫到相應的硬件節點中。

3.1 ?終端節點的軟件設計

終端節點通電啟動后，完成硬件初始化，然后主動掃描信道，向父節點發送入網信號，以加入組建好的網絡;如果未能加入網絡，將會再次發送入網信號，直至成功加入指定的網絡。成功加入網絡后，在沒有接收到指令的情況下，終端節點會自動進入休眠狀態，以減小節點的能耗，增加電池的使用時間。當接收到指令時，終端節點會被喚醒，然后通過節點上的MPU6050傳感器采集桿塔傾斜數據并進行處理、打包，然后將數據包通過ZigBee無線通信網絡傳輸給其父節點。如果數據發送成功，節點則再次進入休眠模式;如果不成功，節點需要重新發送數據，直到成功為止。其流程如圖4所示。

3.2 ?路由器節點的軟件設計

路由器節點通電啟動后，完成硬件初始化，然后選擇信道進行網絡搜索，尋找附近的協調器節點，并發送入網信號，嘗試加入該協調器節點建立的無線通信網絡。如果路由器節點未能加入網絡，則會再次發送入網信號，直至成功加入網絡。成功加入網絡后，會得到協調器節點分配的網絡短地址，然后等待終端節點的加入。當終端節點加入成功后，路由器節點會根據協調器節點分配的短地址區間為其每一個子節點分配網絡短地址（通過該短地址實現協調器節點和終端節點的連接，并完成兩者之間的數據傳輸）。路由器節點就會處于信號接收模式，當接收到信號時，會對接收到信號的類型進行判別，并做出相應的應答，保證每個指令都能及時準確地傳輸到對應的目的節點。其流程如圖5所示。

3.3 ?協調器節點的軟件設計

協調器節點負責整個ZigBee無線網絡的組建和維護，系統上電啟動后，對系統進行初始化，然后進行能量檢測，選擇合適的信道為自己的網絡確定一個PAN ID，并以廣播的形式發送自己的網絡ID、信道等信息。等待子節點的入網申請，并作出相應的應答，如果子節點被允許加入網絡，則為其分配一個16位的網絡短地址，使該子節點能夠參與到自己組建的無線通信網絡的通信。協調器能夠接收子節點發送來的數據包信息，并通過MSP430F149對數據包進行處理，然后通過GPRS通信模塊將數據上傳到遠程監控中心，并將遠程監控中心的下行指令發送到相對應的子節點。其流程如圖6所示。

4 ?實驗結果及分析

4.1 ?實驗結果

本次實驗選用1個終端節點、1個路由器節點、1個協調器節點，在實驗室組建無線通信網絡。利用CC2530 ZigBee模塊和MPU6050傳感器構造桿塔傾斜的終端節點，采集輸電線路桿塔傾斜數據，然后通過路由器節點進行中轉，將數據傳輸到協調器節點，經MSP430F149處理后通過SIM800A模塊將數據上傳到網絡，遠程監測中心通過GPRS接收裝置從網絡中讀取數據并通過串口接入PC機，利用操作系統對數據進行動態去噪、降噪處理，顯示和存儲，以便工作人員日后查詢或調用。在轉動終端節點以模擬桿塔傾斜的過程中，PC上通過串口調試助手得到的實時桿塔傾角數據以及變化波形圖分別如圖7，圖8所示。

4.2 ?實驗結果分析

通過測試結果分析可得，利用卡爾曼濾波算法對得到的數據進行降噪、去噪處理以后，若輸電桿塔的運行狀態良好，并未出現傾斜時，遠程監控中心得到的桿塔運行方位角在三個軸方向的數據是穩定不變的;當輸電桿塔出現傾斜時，維護人員可以從遠程監控中心及時得到桿塔傾斜在三軸方向的具體數值、變化曲線和變化幅值，并且可以采用神經算法等算法對傾斜的趨勢做出預測，然后根據是否達到桿塔傾斜臨界值采取相應的措施，防止事故的發生。本設計通過ZigBee技術和GPRS通信技術相結合的方式實現了輸電線路桿塔傾斜在線監測，達到了本系統設計的預期效果。

5 ?結 ?語

本設計采用MPU6050傳感器、CC2530 ZigBee模塊和SIM800A GPRS模塊相結合的模式，充分利用ZigBee和GPRS無線通信的優勢，克服有線通信局限性的同時，本設計只需要在每個需要檢測的桿塔上安裝一個終端節點和傳感器便可實現輸電線路桿塔傾斜的在線監測，相較于其他系統，采用SCA100/200T等傳感器進行監測時需要在一個桿塔上安裝多個終端節點和傳感器，減少了建設成本，提高了輸電線路桿塔運行的可靠性和在線監測系統的經濟性，并且使用干電池、太陽能電池板和可充電電池相結合的方式供能，盡可能地克服了地理位置和天氣條件帶來的局限性，對輸電線路桿塔傾斜進行實時監測。結合電網建設項目，經實地測試，系統有效可行且精度高，證明本系統具有很好的可行性和廣闊的應用前景。

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