無人值守電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、無人值守電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計摘要：針對目前對電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求與運行特點，設計了一基于ZigBee技術的電力機房運行情況環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，包括協(xié)調中心節(jié)點和終端節(jié)點兩種，并且采用德州儀器公司的低功耗芯片CC2530作其通信模塊。基于此，著重闡述了節(jié)點的硬件構成和軟件程序流程。實驗結果說明該系統(tǒng)完全能夠滿足電力機房監(jiān)控的需要，監(jiān)測到異?？杉皶r進行預警。關鍵詞：Zigbee；無線傳感網絡；機房監(jiān)控；環(huán)境檢測中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j ki.16723198.2021.05.0941引言物聯(lián)網技術為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)帶來了新設計思路。隨著無人值守變電站的廣

2、泛使用，現(xiàn)有的電力機房運行狀態(tài)的數(shù)據采集傳輸問題亟待解決。之前普遍應用的有線數(shù)據采集方式因為受到的地形和復雜環(huán)境因素帶來的影響多，布線復雜、維護困難、使用本錢很高，已不再適應當前的生產需要。ZigBee技術作為新型無線通訊技術中的一種，因其具有功耗低，低本錢、時延短、網絡的容量大、平安、可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于短距離內的低速率數(shù)據傳輸。本文將ZigBee技術應用于電力機房，并結合各種傳感器，可以有效的解決過去的檢測方式存在的問題，可以實現(xiàn)快速、方便地檢測電力機房的各項環(huán)境參數(shù)。2關鍵技術簡介2.1ZigBeeZigBee是一種嶄新的近程無線網絡通信技術，其在嵌入式設備中的使用是當前物聯(lián)網技術研

3、究的新熱點之一。ZigBee技術的主要特點是其支持自組網能力強，且自恢復能力強；它采用蜂巢結構組網，每個設備不僅能通過多個方向與網關通信，保障網絡的穩(wěn)定性；另外每個設備還擁有信號中繼功能，可將無線信號傳輸?shù)?000米以外。ZigBee的網絡拓撲結構有三種：星型結構拓撲、網狀結構拓撲、簇狀結構拓撲，拓撲結構如圖1所示。2.2傳感器技術傳感器是當代息技術支柱產業(yè)之一.隨著現(xiàn)代科學開展，傳感技術作為一種與現(xiàn)代科學密切相關的作為新興學科也得到了迅速的開展，并且在工業(yè)自動化測量、航天技術、醫(yī)學等多個學科被廣泛地利用，對各學科的開展也有促進作用。傳感器是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，由感知電路和信號處理電

4、路組成。電力機房環(huán)境檢測通常需要使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器。煙霧傳感器：電力機房中有很多電器元件，由于元件老化或者設備運行的問題，機房內常有火災隱患?；馂牡某跗冢紵镔|多處于暗燃狀態(tài)，會產生大量的煙，所以在電力機房中安裝煙霧傳感器可以起到預報警的作用。本系統(tǒng)選用21R088光電煙霧傳感器。溫濕度傳感器：為了實現(xiàn)對機房中溫控設備進行實時的控制，本系統(tǒng)配備了一種全新智能溫濕度傳感器SHT11，這樣可以實時在線的采集電力機房內的溫度和濕度數(shù)據，該傳感器因其具有良好的實時性、高精的測量精度、強大的抗干擾能力等特點，廣泛用于各種溫度監(jiān)控及溫度測控系統(tǒng)中。3系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)的整體結構如圖2所示，主要包

5、括：終端環(huán)境感知節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點以及信息綜合處理層等局部。系統(tǒng)網絡采用星型結構，由一個協(xié)調器和假設干個終端路由節(jié)點來組成，這里協(xié)調器節(jié)點是整個網絡的中樞，它負責組織無線網絡的建立并在組網完成后監(jiān)控網絡的運行。終端傳感器節(jié)點那么是各類帶有ZigBee芯片的傳感器。協(xié)調器與上位機由USB串口相連，路由器在數(shù)據上行側與效勞器相連，完成無線傳感網和互聯(lián)網間的網關功能。效勞器用來存放電力機房的環(huán)境數(shù)據，然后將數(shù)據通過Web站點發(fā)布出去。總臺的遠程用戶可以由遠程終端訪問Web站點監(jiān)測控制機房特定設備。4硬件設計介紹系統(tǒng)硬件結構的配置是系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的關鍵所在，而對于本無線傳感網來說，所關注的重點是各類傳

6、感器的選擇和無線傳輸設備的設計。本系統(tǒng)的硬件主要包括終端傳感器節(jié)點模塊、協(xié)調器節(jié)點模塊兩大局部。4.1終端節(jié)點模塊的硬件設計終端節(jié)點是本系統(tǒng)的底層設備，以德州儀器公司的CC2530芯片為核心，是帶有各類傳感功能的網絡子點。圖3為終端節(jié)點的硬件組成圖。CC2530是一個真正用于802.15.4的ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，它可以以降低的本錢來組建強大的網絡節(jié)點。CC2530可以實現(xiàn)的功能共有3局部：1通過A/D轉換器進行各種數(shù)據采集；2由無線RF模塊完成所得數(shù)據的收發(fā)；3控制開關繼電器做出動作。終端節(jié)點模塊主要由電源、外接模塊、開關繼電器、RF收發(fā)器和顯示器等局部組成。1RF收發(fā)器，該收發(fā)器的

7、外圍電路為特性阻抗匹配網絡，所用天線為負極性天線；兩者的對應接口情況為：Pin25與RF_N鏈接，Pin26與RF_P聯(lián)結。2開關繼電器，應用CC2530芯片發(fā)出的驅動的信號控制開關繼電器中的電磁線圈的開與閉，實現(xiàn)對智能效勞設備電源電路的閉合開路控制。3LED顯示，該模塊負責系統(tǒng)的組網狀態(tài)的顯示以及個基點自身測量數(shù)據的顯示。4電源局部，在電源模塊中，采取鋰電池供電模式。使用正穩(wěn)壓器集成DC-DC變換器LM317為系統(tǒng)提供2.4V的輸出電壓，向系統(tǒng)供電。5傳感器模塊外接模塊設計相應的驅動電路及信號處理電路。4.2協(xié)調器節(jié)點模塊硬件設計協(xié)調器節(jié)點模塊是ZigBee網絡的核心局部，負責網絡的組建和控

8、制指令的傳輸和數(shù)據接收、發(fā)送，然后在PC機和效勞器完成數(shù)據發(fā)布。為了實現(xiàn)良好的人機交互和實時顯示，系統(tǒng)中設計了小鍵盤及液晶顯示器，如圖4所示。1串口通信模塊，該模塊選用常用的8251A芯片，它是一種可進行編程的通用同步/異步接收發(fā)送器，常作為串行通信接口，使用起來非常方便靈活。2顯示器局部，顯示器主要負責顯示網絡節(jié)點的實時工作狀臺，這里選用LCD12864液晶顯示器，采用SPI總線數(shù)據傳輸傳輸形式。3按鍵模塊，按鍵模塊為4×3矩陣鍵盤，主要是數(shù)字鍵0到9以及刪除和發(fā)送等命令。5軟件設計介紹系統(tǒng)通信頻段選用公共頻率2.4GHz，此時數(shù)據的傳輸速率為250kbit/s。采用IEEE802

9、.15.4協(xié)議中的載波檢測多路訪問碰撞防止機制來防止通信沖突，在節(jié)點之間進行通信的過程中，任何設備需要發(fā)送信息，都必須先發(fā)出一個空閑信道評估CCA指令來確定該信道是否空閑，當確定信道未被占用之后才進行信息發(fā)送。5.1協(xié)調器軟件設計本系統(tǒng)的無線傳感器網絡為基于ZigBee協(xié)議的網絡，在網絡中協(xié)調器主要負責同意節(jié)點入網、組建無線網絡、收發(fā)實時數(shù)據信息等。協(xié)調器是整個無線傳感器自組網絡的核心局部，由它來選取該網絡的NAI網絡標識符，并檢測其他要求入網的節(jié)點的標識，對符合要求的入網節(jié)點進行綁定；接收由終端節(jié)點發(fā)送回來的測量值，然后對這些測量數(shù)據進行初步的處理；再通過串口把數(shù)據傳送到上位機端進行分析和后

10、續(xù)處理。所以，這里的協(xié)調器需要實時的處于激活的工作模式，不間斷的進行數(shù)據的收發(fā)。協(xié)調器的具體工作流程如圖5所示。5.2終端節(jié)點軟件設計終端節(jié)點會不斷發(fā)出參加網絡的請求，直到得到協(xié)調器返回允許入網的回應，并自動的參加到網絡中；假設是沒能找到協(xié)調器，終端傳感器節(jié)點那么會進行周期性的搜尋，直到得到協(xié)調器的回應。終端節(jié)點參加到由協(xié)調器組件的網絡之后，它就會和協(xié)調器一樣，具有數(shù)據收發(fā)功能，終端節(jié)點主要負責利用傳感器去采集周圍的環(huán)境數(shù)據，并接受協(xié)調器的控制指令對執(zhí)行器做出操作。出于對終端傳感器節(jié)點在減少電能損耗方面的考慮，我們的各類節(jié)點都盡量選用了低功耗的芯片和信號發(fā)射器，但是即便如此終端節(jié)點的能耗相對于

11、他自身的電池容量還是很巨大的；基于此，在系統(tǒng)中為傳感器節(jié)點設置了數(shù)據采集和休眠兩中運行模式。無線網絡組網成功之后，上位機的應用程序會收到回復，工作人員在上位機對終端節(jié)點發(fā)出指令，設置休眠時間和采集頻率H，之后終端節(jié)點自動開啟休眠模式，直到休眠結束，降低終端節(jié)點的耗電量。周期數(shù)據采集期間，終端節(jié)點安著設置的采集頻率和采集時間間隔對周圍環(huán)境數(shù)據進行采集和上傳，完成一個周期的書籍采集任務后，節(jié)點又會自動回到休眠狀態(tài)。對于需要完成一定控制任務的節(jié)點，那么會循環(huán)接收協(xié)調器播送發(fā)出的命令信息，當接收到指令并經過識別是發(fā)給自己的指令，然后終端節(jié)點開始操作執(zhí)行器，完成指令操作。終端節(jié)點工作流程如圖6所示。6實

12、驗結果在某電力機房內布置假設干傳感器節(jié)點，分別對機房內的溫度、火焰、煙霧進行監(jiān)控，網絡協(xié)調器和上位機放置在機房的控制中心。對機房內進行環(huán)境數(shù)據傳輸測試時，從中選取出4組環(huán)境數(shù)據，表1所示是實驗的測試結果。從實驗中所得到的數(shù)據，經過分析可以得出終端傳感器節(jié)點與協(xié)調器節(jié)點的最大距離不應超過10米，因為室內的設備比較多，這對無線網絡節(jié)點之間的信號傳輸有很大的影響；而反觀終端節(jié)點同協(xié)調節(jié)點在10米以內的時候，兩者相距越近時，數(shù)據的傳輸就會越快速準確。經過測試，系統(tǒng)中所用到的溫度傳感器的測量精度很高，其平均測量誤差在百分之1.3左右，是在可控范圍之內的。另外在進行煙霧濃度和火焰的測試時，傳感器所采集的數(shù)據發(fā)送到上位機，當上位機檢測到量值超出了設定范圍，就會把發(fā)生變化的位置變?yōu)榧t色在上位機屏幕上顯示，同時給控制中心管理員的發(fā)報警。7總結針對目前電力行業(yè)對電力機房平安和智能化的需求，本文利用物聯(lián)網技術，構建了一種電力機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。實驗證明，該系統(tǒng)具有低能耗、低本錢、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，上位機人機交互界面極具人性化，具有很好的通用性，非常適合在無人值守電力機房中推廣使用。參考文獻【1】張程.電力系統(tǒng)信息機房環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)D.成都：電子科技大學，2021.【2】易健翔，秦肖臻，汪