本科生毕业设计（论文）外文翻译

设计（论文）题目： 基于ZigBee的城市路

灯节点控制器设计

2016年 3月 28日

基于无线传感网络的输电线路监测系统设计

摘要

本文描述了无线传感网络在输电线路监测状态中的一种智能电网的应用。在该系统中运用ZigBee以及GPRS技术，以确保包括无通信服务的边远地区长距离信号的正常传输及数据传送。此外，该系统能在气象灾害引起破坏之前提供预警以确保电网线路安全。

关键词：GPRS，智能电网，无线传感网络，ZigBee

1．引言

在智能电网系统中，因与安全息息相关，故电力传输显得尤为重要。目前国内电力企业对输电线的管理仍然依靠人工徒步巡逻的方式来进行，这还处于相当原始的状态，因此难以满足日益增长的可靠性要求和智能电网发展的需要。高压传输线尤其是长距离的传输，经常需要横跨山脉，整根线很可能会处在不同的气象区域内，这会给电线的管理和维护带来一定的困难。在近几年，由于恶劣天气的频繁发生，造成电塔和电线的严重倒塌和损毁。对输电线路监测的研究是智能电网技术的一个方向，当中的设备设计用以提供气象数据，有助于对事故的预警和报警，从而减少电网的损耗^[1]。

因此，一套基于ZigBee和GPRS技术的输电线气象监测智能系统应运而生，以克服当前系统的短板，例如完全依赖于通信网络的有限覆盖范围，单一的参数监测以及可扩展性差等。本文介绍的系统具有低功耗、低节点成本、网络容量大、周期寿命长和较强的可扩展性等优点。

ZigBee在IEEE 802.15.4标准的基础上发展而来，是目前最新的无线通信技术，该标准为此无线通信定义了物理层(PHY)和介质控制访问层(MAC)数据传输规范。

ZigBee协议定义了网络层(NWK)和应用层(APL)等上层数据传输规范。物理层、介质控制访问层和网络层处理数据传输，而应用层则处理每个设备的任务^[2]。

GPRS是一种基于GSM的无线分组技术，它提供了一种点对点方式的广域无线网络连接。GPRS是一种高速数据处理技术，其中数据以组的形式来传输^[3]。它具有以下的特点：首先，只要有GPRS的应用，它将会时刻保持在线；其次，GPRS只有当其产生通信流时才需要收费；再次，目前的GPRS可以支持53.6Kbps的峰值速率，而理论传输峰值可达100Kbps；最后，它能覆盖中国大部分的地区。

智能电网的研究是非常重要而且是有必要的，并且研究的重点在不同的国家会有所不同。由于智能电网缺乏统一的标准，因而大多数对传输监测的研究仍停留在理论上的一步，且落后于实际应用。参考文献^[4]-[6]提供一些在电力传输监测中的方案，而参考文献^[7]-[10]则提供一些测量参数的方法。然而，这些方法都非常复杂，为设备的安装带来困难，同时，在信号的采集和传输上也有一定的困难。此外，由于较差的扩展性，以至于它们无法满足在智能电网当中广泛而又统一的征集需求。随着智能电网在中国的发展，本文设计了一种无线传输监测系统，并得到了一些成果。

2.系统描述

诸如温度、湿度、风速和风向等数据将会被系统采集和分析，以便对气象环境进行监测以及对传输状态进行评估。当数据异常时，则通过特定的算法来实现恶劣天气的警告，这可以帮助工作人员做出准确的决策，并采取有效措施对输电线路进行维护。图1为系统工作流程图。

该系统的主要特点就是结合了ZigBee和GPRS技术，它包括了一种二级无线网络。第一级无线网络使用了被称之为“无线传感网络”的IEEE 802.15.4/ZigBee技术，这种技术具有网络容量大、节点成本低、节点功率低等特点。除此之外，第一级无线网络覆盖了至少直径500米的范围。第二级无线网络运用了GPRS技术。GPRS模块支持TCP / IP协议，并且能够在网络上通过用一种点到点再到指定的IP地址的方式将数据直接发送到指定的端口设备上。由于高数据传输率，即使在第一级网络中有大量的传感器节点，GPRS模块仍然能够处理和发送数据。

这种二级结构结合了两种无线网络的优点，从而确保无通信服务的边远地区网络能

图1 电线智能状态监测的实例说明 图2 系统结构图

够正常运行。另外，它可以兼具大网络容量、低功耗、低成本的同时，完成数据采集和

远程传输，因此比目前只使用一个级别的无线网络更加先进^[11]。

3．硬件描述

该系统（如图2所示）是一个分布式的网络，它由三部分组成：传感器节点、协调节点和监控中心。在电源启动后，协调器设置网络同时设置其他设备加入该网络。新加入网络的子设备可以作为终端设备或者路由器而协调器为父设备。路由器可以允许其他设备加入网络，而终端设备则不能，即它们是网络的叶节点。在我们的系统中，传感器节点是终端设备，协调节点是协调器，而路由器只用于增加传输距离，且所有的节点都应该安装在传输线塔上。

传感器节点检测到气象参数并将它们发送到ZigBee无线网络。在同一网络中的协调器将会接收数据，然后将它们发送给GPRS模块。最后数据将会被传送到监控中心，并存储在服务器的数据库当中。通过服务器端和客户端软件可以进行数据库信息的读取和处理，并通过算法实现对数据的评估。此外，当收到的数据异常时，它将能够提供预警。

3.1.传感器节点

传感器节点由传感器模块、MCUamp;RF (Micro Control Unit单片机 amp; Radio Frequency射频)模块和电源模块组成。传感器模块采集监测区域的信息。MCUamp;RF模块控制所有传感器节点的工作，包括存储和处理数据；同时负责与其他节点进行无线通信，主要是交换控制信息，发送和接收数据。图3显示了传感器节点的结构。

传感器模块包含了一些采集参数的传感器。数据采集端口被预留出来，必要时将增设额外的传感器用于扩展。这里用到由Sensirion公司制造的SHT10数字温湿度传感器，以及由北京DIY遥感中心制造的TF-M1风速传感器和TX-V1风向传感器。

图3 传感器节点结构图 图4 协调器节点结构图

SHT10在一块微电路板上集成了传感元件与信号处理电路，其输出为标准的数字信号，且体积小、功耗低。该传感器可工作在-40~123.8°C的范围内。在环境温度为25°C以及工作电压为3.3V的条件下，相对湿度精度可以达到plusmn;4.5%R.H.，而温度精度则可达plusmn;0.5°C。TF-M1风速传感器和TX-V1风向传感器，重量轻且易于装配，能有效地测出外部环境的信息。这些传感器的外壳由高质量铝合金制成，具有良好的抗腐蚀性和耐磨性。此外，它们不易生锈且能在相当长的时间内保证信息收集的准确性^[12]。

由TI公司生产制造的CC2430芯片被用作单片机（MCU）和射频（RF）模块，用于实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它们均支持2.4GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee协议。芯片集行业标准的增强型8051MCU、CC2420RF收发器、128KB闪存和8KB SRAM于一身，其功耗极低且在掉电模式下的电流仅为0.9mu;A。

鉴于传感器节点必须位于塔的顶端，它们总是处于一个无人看管的状态，由此带来了电力供应的一个突出的问题。高压的隔离及电磁干扰使得其难以直接从传输线获得电源。因此，电源模块采用太阳能电池板和电池混合动力的管理策略^[13]，使传感器节点不仅可以运行很长一段时间，而且可以很容易地扩展到更多的传感器

3.2．协调器节点

协调器节点由单片机和射频模块、电源模块、GPRS模块和串口模块组成。图4显示了协调节点的结构。

协调器节点使用与传感器节点一样的单片机和射频模块来发送和接收数据。嵌入式系统由单片机和射频模块、RS232接口和GPRS模块组成，其中GPRS模块直接用于支持透明数据通信。通过一种简单的设置，数据将会被发送到我们已建立好的服务器端口。这里所使用的电源模块与传感器节点是相同的，以确保协调器节点全天候在线。

3.3．监控中心

监控中心包括数据库、服务器和客户端。服务器是连接互联网的主机，数据库安装在服务器主机上，而客户端则是一种PC端软件，负责互联网的连接。

3.4．软件设计

软件通过IAR Embedded workbench安装在传感器节点和协调器节点上。该软件包括嵌入式操作系统和应用程序。监控中心的软件则安装在服务器和客户端上。图5展示了该软件的流程图。

3.5．传感器节点

传感器节点中的软件流程描述如下。首先初始化系统，然后检查是否有网络，如果有，就加入。微处理器控制传感器模块的数据测量，并从传感器接收数据，数据则由射频模块发送出去。传感器节点在完成数据的发送后将自动转入休眠模式，微处理器先把检测模块的功能关掉，然后内部时钟进入“休眠”，只保持微弱的电流来监测外部中断信号，而外部节点的时间则由被称为RTC的实时时钟装置所控制。RTC的功耗极低，可以忽略不计。此时，整个传感器节点保持在低功率状态。当数据传输周期到来时，RTC发送一个中断信号给微处理器将其从睡眠模式中唤醒。微处理器恢复了时钟的功能，并激活传感器模块，使整个节点进入工作状态。

图5 （a）传感器节点流程图（b）协调器节点流程图（c）监控中心流程图

3.6.协调器节点

协调器节点的数据处理软件流程可以描述如下。首先，系统在上电之后初始化；其次，协调器节点设置ZigBee网络以及接收由传感器节点采集的数据；然后，通过RS232接口将数据发送到GPRS模块；最后，GPRS模块将接收到的数据发送到网络中一个指定的IP地址。协调节点将全天候在线^[14]。

3.7.监控中心

服务器与互联网连接，它拥有一个静态IP地址和一个特定的端口以接收GPRS数据。为了获得传感器网络中的数据，管理软件将通过socket(Windows Socket)接口与远程协调器节点连接。通过一系列的数据处理，服务器将把数据存储到数据库当中。

该系统的管理软件采用C Builder开发，而数据库则采用SQL Server搭建。管理软件包括数据接收、数据处理、数据存储、用户管理、数据管理、数据报表等模块。数据接收、数据处理和数据存储模块用于接收来自远程协调器节点的数据，并判断数据是否正常。用户可以在用户管理模块中添加或删除并设置用户权限。为了防止误用和恶意损坏，只有拥有权限的用户可以使用该软件的具体功能。数据管理模块包括数据库查询、数据删除、数据修改等功能。

3.8.结果与讨论

实验装置如图6所示。在我们的测试中使用了三个传感器节点和一个协调节点。温度由一个特定系列环境的室内测量得到。湿度的测量则由标准湿度发生器给出。风速和风向可以选择在不同时间内且在室外测得。由我们实验室的服务器接收到的测试结果如表1、2、3和4所示。

图6 部分实验装置图

3.9. 传感器精度测试

数据显示，温度的最大误差为2℃，而相对湿度的最大误差为5.5%RH。它们与参考文献[12]所描述的SHT10精度一致。根据天气预报，我们在不同的时间得到了环境中风的信息。从表3和表4中我们可以看到，风向传感器的输出是准确的，并且风速传感器在一较宽的范围内与天气预报相符合。

3.10.远程通信测试

传感器节点和协调器节点的通信距离在室内可达100米，在室外可达200米。根据参考文献[15]的方法，通过增加功率放大器可延长其通信距离，使其满足实际需求。

3.11.功耗测试

传感器和射频模块是用电的主要部件。根据参考文献^[16]，在睡眠模式下我们用TI提供的Packet Sniffer来测试电源。微处理器在睡眠模式下的功耗极低。据计算，9V电池可以持续供电200个小时。

3.12.报警测试

据统计分析，在如下的基本气候环境下，输电线路将被冰所覆盖。设备表面温度达到- 8-0℃；空气湿度达到85%RH以上；结冰的最佳风速通常为2-7m/s。服务器中数据处理软件是由一个特定的算法程序来编程实现的。在该算法中，当遇到上述情况时，监控中心会发出警告。试验表明，当数据符合条件时，监控中心的主机将会报警。

4.结论

本文介绍了应用在输电线路上的一种智能监控系统。该系统最显著的特征是运用了ZigBee和GPRS技术的无线传输。结果表明，系统能够满足传感器精度、通信距离、电源管理和报警等方面的基本要求。此外，该系统具有良好的可扩展性和兼容性，且数据采集模块化，每种设备都有单独的测量模块，因此对大量数据的统一传输管理非常容易。该系统可应用于发电、配电、输电等各个方面，成本相对较低。更重要的是，它易于安装且能够实现远程监控。

我们的下一步任务是提高系统的性能：在低功耗下延长通信距离，改进数据处理算法以提供更多的预警方案，增加更多的传感器模块，以拓宽监测范围，即，对森林火灾和输电线破损状况的监测，可通过使用图像传感器和改进的算法来实现。

致谢

这项工作是由一个部门级的预研究项目资助

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