基于無線ZigBee 技術的智慧電纜通道預警系統

孫媛媛，許 剛，朱 文，劉楊濤

（1.山東大學，山東濟南 250101；2.山東科華電力技術有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

無線ZigBee 技術是通過物聯網信息采集的一種新方式，具有低延時、穩定可靠、網絡傳輸容量大、安全可靠等特點，可以利用無線傳感器對監測范圍內的環境信息進行采集，有效發現問題并進行準確定位，提升智能化管理水平，該技術已經成為國內外智能化管理領域的研究熱點[1]。

無線ZigBee 技術在智能家居、環境監控等方面應用廣泛，借助電子傳感器技術取代人工在惡劣環境下的電纜隧道進行環境監測，提升電纜隧道內的監控效率。國內智慧電網發展雖取得一定成績，但與發達國家相比仍存在一定差距。無線ZigBee 技術在智慧電網建設中的應用，可以實現對電纜隧道環境的信息采集，確保電纜線路安全運行。

1 無線ZigBee 技術特性評價

1.1 低功耗

無線ZigBee 技術結構簡單，具有特殊的電源管理模式，功率消耗較低，網絡中的節點工作周期很短，大部分時間處于休眠狀態。傳感器控制數據每隔一段時間需要發送一次，發射功率僅為1 mW，能夠有效延長設備的工作時間，使用2 節5 號電池可以維持工作5 年以上。無線ZigBee 技術的低功耗模式可以確保設備運行的穩定性，不用頻繁更換電池或充電，尤其對于大范圍的電纜線路監控管理方面，較低的投入成本和維護成本可以有效提升無線ZigBee 技術的應用范圍[2]。

1.2 低速率

無線ZigBee 技術適用于低速率無線傳輸領域。在數據傳輸過程中需要進行加密、解密和信道沖突監測，因此需要降低傳輸速率。通常情況下，無線ZigBee 數據傳輸速率為10～250 kb/s，較低的傳輸速率可以帶來更快的響應速度，從休眠到激活只需要15 ms，設備信道接入網絡的時間僅為30 ms，延時短、能耗低。因此，無線ZigBee 技術適用于復雜工況下的電纜隧道監控與管理，并且對能耗要求較嚴格的無線控制應用。

1.3 公開兼容性

無線ZigBee 技術具有公開的網絡開發環境，擁有良好的兼容性，能讓所有的ZigBee 芯片產品都可以進行交互，在協議和應用層面上進行有效規范。基于無線ZigBee 技術的智慧電纜通道預警系統組網成本低、建設周期短、維護量小、無需人力檢查線路，有效降低了投資成本和維護成本，在組建無線通信網絡方面據有非常顯著的優勢[3]。伴隨著更多芯片生產商不斷出新產品，其價格將更具優勢，無線ZigBee 技術的成本也會更低，應用范圍將進一步擴大。

2 無線ZigBee 技術網絡設計

2.1 設備類型

無線ZigBee 技術中使用的設備包括協調器、路由器和終端設備。協調器是整個無線ZigBee 網絡中的主控制器，負責建立網絡和維護，對加入的設備進行地址分配和維護綁定。一個無線ZigBee 網絡只能存在一個協調器，且只能由全功能設備充當協調器，確保無線網絡中各個設備之間的正常通信。路由器主要是負責維護網絡路徑、搜索設備加入網絡和數據傳輸，全功能設備也可以充當路由器，無線ZigBee 網絡中路由器受到網絡中協調器的控制，雖然路由器相對協調功能較弱，無需占用較多的計算空間和內存地址。

2.2 網絡拓撲結構

無線ZigBee 網絡拓撲結構可以分為星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲（圖1）。

圖1 ZigBee 網絡拓撲結構

（1）星形拓撲結構是ZigBee 網絡的基礎拓撲結構，包含一個中央協調器節點和多個終端節點。終端節點與中央協調器之間有唯一的通信路徑，協調器的通信狀態影響著整個星形網絡通信質量，終端節點之間無法直接進行信息傳輸。

（2）樹形拓撲結構包含一個協調器節點以及多個路由器和終端節點。該結構中協調器可以和多個路由及終端節點相連接，其子節點的路由也可以繼續延伸與其他路由和終端節點相連接，通過延伸和疊加形成樹形拓撲結構。該結構中終端節點之間需要通過路由進行通信連接，信息傳輸路徑通過協議棧層進行處理。

（3）網狀拓撲結構包含一個協調器節點和多個路由節點以及終端節點。與樹形拓撲結構類似，網狀拓撲結構中協調器可以和多個路由和終端節點相連接并且網具有更加靈活的通信路徑，各個路由節點之間可以實現信息的接收和轉發。網狀拓撲結構可以有效提升各個節點之間的通信效率，而且靈活的通信路徑可以確保某一個路由路徑發生異常時，信息還可以使用其他路由進行傳輸[4]。

3 電纜通道預警系統的設計

基于無線ZigBee 技術的智慧電纜通道預警系統，可以對電纜隧道內的環境和電纜運行的狀態進行實時監測，當監測到某一項環境因素或者電纜運行狀態信息出現偏差時，可以通過用戶端下達控制指令，幫助控制室進行狀態分析和診斷，及時進行維護管理，使環境參數和電纜狀態恢復正常，實現電網智能化管理。該系統采用網狀拓撲結構，各個節點之間保持對等關系。

3.1 硬件結構設計

電纜隧道預警系統的硬件結構包括傳感器、數據采集器、控制器和ZigBee 網絡。硬件結構設計要求簡單、可靠，易于擴展和維護。傳感器位于電纜隧道的各個監測位點，包括溫度傳感器、煙霧傳感器和適度傳感器，負責對電纜隧道內線路的溫度、電流、環境等數據進行實時采集；數據采集器負責將監測位點傳感器輸出的信息進行A/D 轉換，然后將這些信息傳輸給控制器進行分析處理；控制器主要負責對電纜隧道的各項監測數據深度處理，現實電纜隧道傳感器的方位信息以及電纜隧道內線路的實時狀態；ZigBee 技術構成的網絡可以實現短距離、低功率的數據的傳輸。

3.2 無線模塊電路設計

系統無線模塊是由電源電路、單片機、串口通信電路、外部儲存電路、溫度采集電路以及顯示電路組成。晶體振蕩器工作頻率為32 MHz，為無線模塊提供時鐘；溫度采集傳感器能夠長期穩定運行，溫度測量范圍-40～+120 ℃，測量精度±0.5 ℃，測量分辨率0.01 ℃；濕度測量范圍0%RH～100%RH，測量精度±4.5%RH，測量分辨率0.03%RH。

3.3 軟件設計

軟件系統采用分層、分布式結構設計，劃分為應用層、平臺層、網絡層和感知層4 個部分，網絡構架如圖2 所示。應用層負責在線監測管理、生產準備及驗收、狀態評估管理、檢修與試驗管理、電纜及通道管理、帶電檢測、缺陷管理、巡視管理、保電管理、故障管理、應急管理等內容。平臺層是電力企業的業務系統，主要進行數據分析、數據調度服務，實現電網系統的數據共享，為客戶提供相應的服務。網絡層包括VPN 專網、電力光纖和生產電力專網。感知層包括所有的數據采集模塊，如電纜通道視頻監控、設備狀態監測、消防監測、環境監測等。基于無線ZigBee技術的智慧電纜通道預警系統利用對應的時序周期讀取與之相連的傳感器，確保傳感器數據的實時更新。受到邊緣網關的查詢指令時，將傳感器采集到的數據信息上報給邊緣網關。

圖2 電纜通道預警系統網絡架構

4 結束語

電力企業是經濟發展中的重要支柱型產業，在國家經濟快速發展的大背景下，用電需求與日俱增，電力設施運行的穩定性成為人們關注的焦點。為提升電力供應的穩定性和安全性，采用無線ZigBee 技術進行組網通信建構電纜隧道預警系統，對電纜隧道內的環境檢測參數進行采集、傳輸并進行分析處理，可以實現對突發電纜故障的實時監控、預警、定位和應急處理。