微型無線傳感器在動力微環境監測中的應用

翁志遠，彭 偉，姜 鎏

（1.中國電信上海公司云網運營部電源空調中心，上海 200092；2.中國電信上海公司總工程師辦公室，上海 200120）

0 引 言

傳統動力環境監測系統是針對動力機房大環境進行監測，缺乏對動力機柜等設備級別的內部環境監測的能力，不能及時發現設備內部潛在的一些安全問題，以至于很多設備在發生故障后引發更大的安全事故，造成重大損失。因此實現對動力設備內部的一些關鍵點進行監測，及時發現設備內部安全隱患，與現有的傳統動力環境監測系統形成大小環境監測互補，是提高動力設備安全運行的一個有效技術手段。

但與傳統大環境監測系統相比，實現對設備級別的動力微環境監測有諸多問題需要解決，其中關鍵問題之一就是傳感器選擇。有別于傳統動力環境監測系統，由于動力微環境監測主要是針對動力設備內部環境進行安全監測，因此存在著傳感器安裝、操作空間狹小、供電和數據傳輸布線困難、施工周期長、日常維護缺乏手段等眾多問題，需要創新思路來解決動力微環境監測這方面的需要。有別于傳統動力環境監測系統的，微環境監測系統需要的傳感器采集密度也更大。大量的傳感器不僅會帶來前述的安裝等方面的問題，也會給傳感器組網資源分配、數據傳輸、平臺數據處理等各方面都帶來壓力。

綜合多方面考慮，傳統傳感器較難滿足動力微環境監測的要求，需要一種新型的傳感器來解決這些問題，從而使動力微環境監測能從實驗室走向實際推廣應用。

1 微型無線傳感器

微型無線傳感器是專為解決動力微環境監測研究與實踐中遇到的工程問題而由中國電信上海公司自研的新一代傳感器。該系列傳感器采用當今最新傳感技術、最新SOC芯片設計，在確保功能、性能的同時，傳感器又有著非常小巧的尺寸，是一款有別與傳統傳感器，非常適合在動力微環境監測的環境中使用，又能兼容傳統監控需求的新一代微型無線智能傳感器[1]。

1.1 外形尺寸

微型無線傳感器有多種傳感器外殼，但其主要傳感器外形如圖1。整個傳感器外殼尺寸僅為34 mm×34 mm×25 mm。為了便于生產、安裝和維護，傳感器外殼還被設計成多種安裝模式通用型，具備的多種不同功能的結構。傳感器外殼采用高絕緣、高阻燃材料，能滿足當前絕大多數動力設備內部環境安全使用的要求。另有硅膠表帶式傳感器外殼，如圖2，可以滿足更多不同安裝方式的需要。

圖1 傳感器外形

圖2 硅膠表帶式傳感器外殼

1.2 內部結構

微型無線傳感器內部主要為一塊多功能通用電路板，見圖3。通用電路板是一塊含有多種微型傳感器安裝位置，并集成SOC處理芯片、2.4 GHz天線、多種接口和元件的高度集成的PCB板。板上除了具有一個14250型號的電池安裝位置、一個LED工作狀態指示燈、一個電源開關外，還有一個多功能傳感器擴展口。這個擴展口既可以直接內接某些類型的傳感探頭，也可以安裝一些傳感器模塊，還可以外接一些常用的數字或模擬傳感器探頭，甚至是外接一些其他類型的傳感器的輸出。除了可以內裝電池供電外，還保留了外接供電接口；可以無線方式進行數據傳輸，也保留著有線數據傳輸的接口。這塊電路板的另外一個通用特點就是它也可被裝配成可與傳感器配套使用的無線數據接收板、無線數據中繼板等，將它嵌入相關的智能設備后就可以使這些設備成為無線集中器或無線中繼器等，實現無線傳感器采集數據的集中、處理、傳輸或中繼等功能。

圖3 微型無線傳感器內部結構

1.3 微型無線傳感器數據采集及安裝

動力微環境監測系統主要注重動力設備內部各關鍵點安全方面的監測，目前已有下列傳感器和相關配套產品，可以滿足動力微環境監測大部分情況下的監測需求：接觸式溫度傳感器；非接觸式溫度傳感；外接式探頭的溫度傳感器；溫濕度傳感器；異響傳感器；異常氣味傳感器；水浸傳感器；煙霧傳感器；弧光傳感器；外接式開關量傳感器；微型無線數據接收板；微型無線傳輸中繼板。

另外傳感器還有一個多功能傳感器擴展口，可以很方便地把許多其他種類的傳統傳感器接入進來，納入到動力微環境監測系統中，從而大大地拓展了系統對各種傳感器的接入能力。

1.3.1 微型無線傳感器數據采集

1.3.1.1 接觸式傳感方式

此微型無線傳感器底部開有溫度探頭窗口，見圖4。當傳感器被裝配成接觸式溫度傳感器并安裝到監測點后，溫度探頭被內部彈性元件與被測點直接壓在一起，形成物理接觸，與從而能夠快速精確地得到監測數據[2]。

圖4 接觸式溫度傳感器

1.3.1.2 非接觸式傳感方式

多種傳感元件內置的傳感器，如溫度、濕度、溫濕度、異常氣味、異響等等，這些傳感器通過外殼四周鏤空的通風柵格，可很好地感知周邊微環境的情況，實現非接觸式的傳感監測。

1.3.1.3 外接傳感探頭與多功能擴展口

因為動力微環境監測傳感器安裝環境的復雜性，即使有了尺寸很小的傳感器和多種傳感器安裝固定方法，也不能保證在工程中所有傳感器都能直接安裝在監測點上，這時就需要采用其他辦法解決這個問題。微型無線傳感器外殼頂部有一個多功能擴展口可外接傳感探頭，如圖5。外接的傳感探頭非常纖細，可以伸入極小的監測點空間，并采用快速粘貼方式行安裝固定，實現監測。

圖5 多功能擴展口

多功能擴展口也可很方便地配置成傳感信號輸入口，如模擬量信號輸入口、開關量信號輸入口，甚至是一些與此接口兼容的數字傳感信號輸入口，從而使傳感器具有了在不額外增加傳感器類型的情況下，借助其他一些第三方傳感器獲得動力微環境監測所需的一些監測數據，見圖6。

圖6 接入其他類型傳感器

相對應的，微型無線傳感器的多功能擴展口也可以被配置成傳感器信號輸出口，用以把傳感器自身的監測結果，分享給其他傳感器或相關設備，見圖7。

圖7 輸出傳感器信號

微型傳感器通過傳感數據的共享，增強了各種傳感器的接入能力，擴大了動力微環境監測可使用的傳感器范圍，提高了動力微環境監測獲取更多監測數據的能力[3]。

1.3.2 多種安裝固定方式

在動力微環境監測中，被監測設備傳感器安裝環境復雜、空間狹小，傳感器安裝難度大，施工操作困難，因此對傳感器的安裝固定方式和可操作性都有很高的要求，否則會給工程施工帶來極大的不利。微型無線傳感器體積雖小，但小小的機殼卻設計有多種的安裝固定方式，而且各種安裝方式都簡單易行。施工時只要選擇最合適的安裝固定方式，不僅可使傳感器的固定做到安全牢靠，而且在狹小空間內的操作也都很方便，大大降低傳感器安裝難度，從而減少了傳感器工程施工和今后維護工作的工作量。

1.3.2.1 磁吸安裝

對于安裝位置屬于導磁材料的監測點環境，可在傳感器底部的二個固定孔位加裝二塊強磁，采用磁吸方式進行固定[4]。在另外二個孔位加裝泡棉起到平衡和緩振作用，對于安裝位置需要防位移的，則可采用雙面膠泡棉見圖8。

圖8 磁吸安裝方法

1.3.2.2 粘貼安裝

對于不是導磁材料的監測點安裝環境，傳感器底部的4個固定孔位都可以安裝強力雙面海綿膠用以固定傳感器。

1.3.2.3 扎帶安裝

微型無線傳感器的外殼靠近頂部有4個對穿的扎帶捆扎預留窗口，在傳感器需要用捆扎方式安裝時，可以通過這幾個窗口用扎帶把傳感器向下或向上固定傳感器，見圖9。

圖9 扎帶安裝方法

1.3.2.4 卡接安裝

微型無線傳感器的外殼靠近底部四周有一圈卡槽，如圖10。專門用于連接多種基于卡接固定方式的傳感器快速安裝部件，然后把傳感器固定在需要監

圖10 卡接安裝方法

測的位置，見圖11。

圖11 卡接快速安裝部件

1.3.2.5 表帶式安裝

外殼采用硅膠材料制造的表帶安裝方式的傳感器，供某些場合傳感器應用的需要，見圖2。

1.4 無線數據傳輸

動力微環境監測需要解決的另外一個很重要的問題就是布線問題。因為動力微環境監測的對象通常內部空間狹小，結構復雜，基本上都無法進行數據傳輸線路布線工作。另外采集數據的最后匯總如果專門建立傳輸線路，成本也非常高昂。微型無線傳感器在同一個動力設備內部的各傳感器采用2.4 GHz無線通信方式與集中器實現監測設備層級的采集數據匯總和處理，然后再通過NB-IOT無線物聯網技術把設備狀態數據從各集中器傳輸匯總到監測平臺，見圖12。因此全程不需要施工布線，從而擺脫了動力微環境監測施工布線困局。

圖12 微型無線傳感器的無線數據傳輸方式

1.5 低功耗設計

在動力微環境監測對象中，很多設備無法給傳感器提供電源，即使有可用電源，但基于前面相同的原因，施工布線也很困難，所以采用電池供電方式是較優的方案。

微型無線傳感器采用超低功耗的電路設計方案，使得傳感器電路整體功耗大為降低。另外通過優化傳感器休眠、喚醒方式并采用可設超閾值觸發突發上報和可設定時的數據采集上報等多種超低功耗監測模式，在保證數據采集實時性的前提下，也大大降低了傳感器的功率消耗，這就使得微型無線傳感器都可以采用電池供電方式長期運行，而且電池使用壽命最長可以達到5年以上。另外傳感器電量信息上報功能可以使系統平臺在傳感器電量耗盡前就能發出報警，通知維護人及時采取措施，防止傳感器掉電失效。

1.6 分組管理與靈活組網，提高無線頻道利用率

動力微環境監測還有一個特點，就是與傳統的動力環境監測相比，傳感器數量要多得多。通常一個動力設備的微環境監測就需要許多個傳感器來完成，很多的被監測設備就意味著有很多的傳感器，也就意味會產生大量的實時采集數據，這些數據都需要傳輸、處理，這將會給系統的數據傳輸和平臺處理帶來壓力。微型無線傳感器為解決這個問題，引入了“組”概念，見圖13。

圖13 同一設備內的傳感器被編為一組

一個動力設備內的所有傳感器可被編為一個組，一個組實際上代表了一個設備，組內各傳感器可根據配置，自主對各自的監測點進行實時監測。只有傳感器的監測數據滿足上報條件時，才主動發送給組內的無線集中器。集中器依據這些數據對該動力設備安全狀態進行綜合分析，并按一定的邏輯做出智能判斷，得出這個設備當前的安全狀態，并根據需要決定是否上報這個狀態。微型無線傳感器就這樣通過分組的處理方式，把一個動力設備微環境監測的很多采集數據變成了只需一個安全狀態數據就可以表達和上報。這樣就大大減少了需要進行傳輸和處理的數據量，降低了對數據傳輸系統的要求，也減小了系統平臺數據分析處理的壓力。

微型無線傳感器采用了2.4 GHz公用頻段進行組內傳感器采集數據的無線收發。2.4 GHz頻段理論上有128個頻道資源可用，一個組占用一個頻道，同一個無線覆蓋區域內就可以有128個組，就可以監測128個設備。但因為是公用頻段，實際上很多頻道會被其他民用設備占用，造成很多頻道無法使用[5]。另外為預防各種因素引起相鄰頻道的串擾，通常頻道被間隔使用，所以實際真正可用頻道資源非常有限，如果僅以頻道這一個參數進行分組，遇到大局站，需要監測的設備一多，頻道資源馬上就不夠用。為解決這個問題，微型無線傳感器對前面提到的“組”，采用了更加靈活的“組”區分方式，見圖14。

圖14 更加靈活的“組”區分方式

在動力微環境監測中，不同的設備實現微環境監測時需要傳感器數量往往是不同的，有的只需幾個，有的卻需要幾十個。一個只有幾個傳感器的組占用一個頻道，顯然是非常浪費的，所以在設計時又引入了一個稱為“網絡編號”的組識別參數，與頻道編號組合在一起對傳感器進行復合編組。只有同一頻道和同一網絡編號的傳感器才屬于同一個組，這樣在同一個頻道下，如果傳感器總數不多，在確保一定的數據碰撞率的情況下，就可以不同的網絡編號，再增加另外的傳感器組，從而提高了頻道資源的利用率。

針對可用頻道資源緊張的情況，微型無線無線傳感器還采用的另外一種方法提高頻道資源利用率，那就是采用頻道覆蓋場域可控技術，見圖15。

圖15 采用頻道覆蓋場域可控技術

在實際應用中，一個動力設備微環境監測的一組傳感器（包括集中器），通常只占用很小的一塊機房空間區域，所以該組占用的無線頻道信號強度只需滿足覆蓋這一塊區域，就可以保證組內監測數據的可靠收發。這樣只要確保足夠的安全距離，就可以在另外一個機房空間區域對該頻道進行再次的利用。微型無線傳感器可以根據實際環境需要，非常方便地在離線或在線狀態下，對傳感器的無線信號功率進行設置和調整，從而控制其無線頻道信號場域覆蓋范圍。這樣在動力微環境監測實施中，遇到頻道資源緊張時，就可以對寶貴的頻道資源進行重復利用，從而解決頻道資源緊張問題。

1.7 傳感器監測數據的配置和更新

在動力微環境監測中，被監測動力設備各種各樣，內部微環境監測要求也不盡相同，同樣的傳感器，在不同的設備、不同的監測點，不同的時期、不同的季節，監測參數的設置可能就完全不同。

傳統的傳感器基本上只能進行簡單地完成數據采樣，其他的如監測閾值、采集周期、定時上報等一些重要的個性化監測參數都由采集控制器來實現。微型無線傳感器則不同，得益于其強大的SOC芯片功能和性能，很多在傳統監測系統中只能由較高層級設備才能實現的功能，在微型無線傳感器中就能實現。相關的采集監測參數不僅都可被配置，而且除了離線配置，還支持以在線的方式進行參數的配置和更新，極大的方便了動力微環境監測工程施工后監測參數的調整。

2 微型無線傳感器在動力微環境監測中的應用情況

微型無線傳感器是一款新型傳感器，從很多方面都可以看出，這是一款專為動力微環境監測量身定做的傳感器。為了能在狹小空間中實現設備微環境的監測，傳感器被設計成了微型傳感器；為了解決布線難題，傳輸采用無線方式；為了解決供電問題，采用電池供電方案；為了延長傳感器電池使用壽命，采用了超低功耗電路設計和省電監測上報模式；為了提高系統數據傳輸和處理效率，又采用分組、分層處理方式；為了提高無線資源利用率，又采用了同頻不同網絡編號的分組方式和場域控制技術等。

綜上，微型無線傳感器的推出使得動力微環境監測中遇到的傳感器方面的這些問題都得到了較好的解決。從而使得動力微環境監測能從實驗室走向實踐和應用。多個實際應用案例表明，微型無線傳感器能在現有的絕大多數動力設備，甚至是內部集成度很高的動力設備的微環境監測中得到了很好的應用。如在上海電信信息園區和樞紐樓的配電設備和供電設備中，微型無線傳感器得到大量應用，并經歷了較長時間運行的考驗，取得了良好的應用效果，受到行業相關專家們的一致好評。并且作為一款新型實用的傳感器，其結構、外觀、電路等一些獨特的設計都已經申請了專利進行了知識產權的保護。

3 結 論

在動力微環境監測的研究和實踐中，遇到了許多與傳統動環監控系統完全不同問題，很多問題最終都涉及到傳感器，國內外市場目前也基本上找不到一款各方面都特別適合動力微環境監測的類似的傳感器，微型無線傳感器的創新解決方案，針對了傳統監控的痛點、難點，采用了近年來IT領域、芯片領域和無線通信領域的新技術成果，自研開發了此類滿足微環境監測的傳感器，從而為動力微環境監測系統的實施、推廣、普及奠定了基礎。