方媛

摘 要 本文將物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用于10kV開(kāi)關(guān)柜及低壓配電柜的溫度監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體架構(gòu)，論述無(wú)線傳感器網(wǎng)的通訊原理研究設(shè)計(jì)了應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)的無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于地理信息系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)管理軟件。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

10kV開(kāi)關(guān)柜及低壓配電柜的是保證電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。設(shè)備在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備因超負(fù)荷運(yùn)行，必然會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象；另外，設(shè)備中的連接頭接觸不好或因產(chǎn)品制造、運(yùn)輸以及安裝過(guò)程缺陷等原因也會(huì)引起接觸點(diǎn)的電阻過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。電纜接頭、動(dòng)靜觸頭和母線排連接處等部位因過(guò)熱引起絕緣老化、擊穿甚至發(fā)生火災(zāi)，在10kV開(kāi)關(guān)柜及低壓配電柜中尤為突出且影響極大。因此，對(duì)這些發(fā)熱部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度的監(jiān)測(cè)十分必要，以避免短路引起火災(zāi)、燒毀或突然停電等事故。

2 系統(tǒng)總體組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)自動(dòng)化是對(duì)配電網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視、協(xié)調(diào)及控制的一個(gè)高度集成的系統(tǒng)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)視與控制上的高級(jí)應(yīng)用。本系統(tǒng)中將無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)融合在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)里，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程高壓配電柜內(nèi)電纜、觸頭等溫度的監(jiān)測(cè)。

3 無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)包括分布式的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、國(guó)家電網(wǎng)通信網(wǎng)和監(jiān)測(cè) 軟件。溫度傳感器節(jié)點(diǎn)布置在被監(jiān)測(cè)電纜或觸頭處，節(jié)點(diǎn)通過(guò)射頻天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)BS909，BS909網(wǎng)關(guān)通過(guò)路由器和國(guó)家電網(wǎng)光纖網(wǎng)融合將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè) 中心主機(jī)，傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)如圖1所示。本系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)是將集成BF模塊的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)部署在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，構(gòu)成基于BF技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在半徑約1000m范圍內(nèi)的高壓開(kāi)關(guān)柜可組成一個(gè)單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)裝備一個(gè)網(wǎng)關(guān)。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通訊協(xié)議

802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了PHY層和MAC子層，國(guó)內(nèi)外，大多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品從上層應(yīng)用層開(kāi)始編寫，直接調(diào)用協(xié)議提供的庫(kù)函數(shù)，與從底層MAC層編寫的協(xié)議相比，效率較低，受到了限制太多，使用不靈活等約束。比如，為了實(shí)現(xiàn)同步，消除授時(shí)時(shí)延誤差，最好在低層（MAC層）打上時(shí)間戳，用來(lái)消除發(fā)送節(jié)點(diǎn)的處理延遲和MAC層的訪問(wèn)延遲。如果在上層應(yīng)用層調(diào)用庫(kù)函數(shù)，就沒(méi)有辦法在底層使用時(shí)間戳，從而造成同步精度大幅降低。

本項(xiàng)目無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議遵從802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從MAC層開(kāi)始編寫完成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切突驑?shù)型。對(duì)于簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇，由部分節(jié)點(diǎn)組成簇樹(shù)的主干和從干（簇頭），其他大部分節(jié)點(diǎn)成為簇樹(shù)的葉設(shè)備，葉設(shè)備的數(shù)據(jù)匯集到各自的簇頭，由簇頭多跳傳輸?shù)街行木W(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)和鏈路質(zhì)量監(jiān)聽(tīng)，加入到最合適的簇，生成固定的路由表和備份路由表。由于本項(xiàng)目專門適合于監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定的應(yīng)用，我們的路由協(xié)議僅考慮了節(jié)點(diǎn)失效和新加入節(jié)點(diǎn)的情況，并沒(méi)有考慮傳感器節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)的拓?fù)渥兓?，保證了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高效率。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)

本無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線 SOC 片上系統(tǒng) SAW，在單個(gè)芯片上整合了BF射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器，溫度傳感器采用DB2030技術(shù)。

4.2.1 溫度傳感器DB2030

DB2030是最新單線數(shù)字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)，DB2030是支持“一線總線”接口的溫度采集傳感器，一線總線具有獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為溫度測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入新概念，它的溫度測(cè)量范圍為-45～+220℃，在-20～+65℃范圍內(nèi)，精度為±1℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度會(huì)直接以“一線總線”的數(shù)字方式進(jìn)行傳輸，極大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境及強(qiáng)電磁干擾環(huán)境的溫度測(cè)量，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。

4.2.2 無(wú)線通訊模塊

SAW 芯片延用了以往SAW 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了BF 射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1 個(gè)8 位MCU（8051），具有128 KB 可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、AES129 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（Power On Reset）、掉電檢測(cè)電路（Brown out detection），以及21 個(gè)可編程I/O 引腳。SAW 芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于24 mA 或23 mA。SAW 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。無(wú)線網(wǎng)關(guān)即無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸基站，用于收集各類傳感器的無(wú)線信號(hào)，并通過(guò)RS-485總線形式、USB線或GPRS無(wú)線傳輸模塊，將數(shù)據(jù)傳送給控制主機(jī)。它是由MCU、RS-485接口、CAN接口、GPRS 模塊、2.4GHz數(shù)字RF收發(fā)器、寬輸入DC/DC直流穩(wěn)壓電源、IP66 PPS外殼和高增益定向天線等組成。

參考文獻(xiàn)

[1]孫少偉，戴義保，章高琴.基于DB2030組網(wǎng)測(cè)溫的研究[J].自動(dòng)化儀表，2006，27（10）：1022-1024.

[2]寧炳武.基于SAW的BF網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（03）：198-199

[3]馬永強(qiáng) 李靜強(qiáng) 馮立營(yíng).基于BF技術(shù)的射頻芯片SAW[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（03）：14-16.

[4] 鄧明.光纖收發(fā)器應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2010（01）：131-132.

作者單位

1.遼寧遼能配售電有限責(zé)任公司 遼寧省沈陽(yáng)市 110000

2.遼寧省電力有限公司檢修分公司 遼寧省沈陽(yáng)市 110000endprint