预装式变电站温湿度烟雾WSN传感器节点设计

杨 鹏 史旺旺 沈楚焱

(扬州大学能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

预装式变电站因其自身的独特优点而得到了广泛的应用，但是，现有的预装式变电站在安全可靠性方面还存在一些问题。由于变电站一般运行在户外，户内电器设备容易受到外界环境的影响。为了解决预装式变电站采用有线监控方式布线带来的缺点，研究人员结合不同的监测要求，设计了多种专用的无线传感器网络系统(节点)。

张巧芬等设计了基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统。系统采用MSP430F149+nRF905作为核心模块，监测电器设备的温度。该系统的节点抗干扰能力和延长网络生命周期有待进一步提高［1］。

王海伦等采用PSOC+CC2430作为核心模块，设计了电气设备温度监测的无线传感器网络节点。该节点体积小、可靠性高，但由于通信距离短，限制了推广应用［2］。

李丽芬等设计了长链树状无线传感器网络的拓扑结构，可实现绝缘子泄漏电流的在线监测，但是电磁兼容和网络安全有待进一步提高［3］。

针对以上各种不足，本装置应用无线传感器网络技术，将温湿度和烟雾传感器节点分别设置于高压室、低压室和变压器室，通过路由节点和协调器节点组成无线传感器网络，实现一款功能丰富、性能强大且成本低的变电站无线监控系统。

1 传感器节点的总体结构

传感器节点结构框图如图1所示。无线微控制器采用英国Jennic公司的高性能、低功耗无线SOC模块，实现无线传感器网络的自动组网和收发功能;同时在传感器节点装置中采用时钟芯片用于对采样进行计时，时钟电路采用时钟芯片DS1302。

图1 传感器节点结构框图Fig.1 The structure of sensor node

2 传感器节点硬件设计

传感器节点分别部署在高压室、低压室和变压室内的各个监测点上，由于电磁干扰严重，节点硬件尽可能考虑低功耗和抗干扰设计。硬件抗干扰主要是根据干扰情况，在传感器信号调理电路中增加滤波电路，采用抗干扰能力强的JN5139核心无线控制器、电池供电等方式实现。

本文设计的传感器模块主要由微处理器、无线通信单元、数据采集单元、驱动单元和电源单元等5个部分组成。

2.1 微处理器模块

本设计采用JN5139无线微处理器，JN5139是集成了UFL天线的高功率模块［4－5］，可以在最短的时间内、最低的成本下实现IEEE 802.15.4或 ZigBee兼容系统。该模块利用Jennic的JN5139无线微控制器来提供完整的射频和RF器件的解决方案。模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件。模块的主要特性为:集成 UFL天线插槽，兼容2.4 GHz、IEEE 802.15.4 和 ZigBee 协议，2.7 ～3.6 V 操作电压，睡眠电流(包括睡眠定时器处于活动状态)为2.8 μA，接收灵敏度为 －100 dBm。MCU的主要特性有:16 MHz 32位 RISC CPU、96 kB RAM、192 kB ROM，4个输入端口、12位ADC、2个11位DAC、2个比较器、2个应用级定时器/计数器、2个串口(其中1个用于系统在线调试)、1个SPI接口(支持5个SPI从节点)。

2.2 信号获取和处理模块

传感器节点原理图如图2所示［6－8］。在高压室、低压室和变压室分别放置一个传感器节点，烟雾信号采用离子型烟雾探测器ZRAM-A1采集，探头采集的信号输入到烟雾检测芯片MC14468完成初步信号处理。同时，采用TMP35G温度传感器采集环境温度。两者采集的信号输入DS2438芯片，然后将DS2438输出信号输入JN5139无线控制芯片，通过相应软件实现烟雾和温度的融合算法，防止烟雾的误报警。温湿度信号采用集成温湿度传感器SHT10，传感器输出信号经过调理电路处理后输入无线控制芯片的I/O接口。声光报警驱动、除湿器驱动和加热器驱动采用三极管和继电器构成。

图2 传感器节点原理图Fig.2 Principle of sensor node

3 传感器节点软件设计

传感器节点软件开发平台都使用Jennic公司提供的一整套开发工具。首先，用户程序在Jennic CodeBlocks集成开发环境中进行调试和编译。CodeBlocks是一个源码开放的C/C++集成开发环境，Jennic对其进行了二次开发，嵌入了很多用于ZigBee网络开发的API函数。这些函数用于将用户程序编译成二进制文件。编译的二进制文件使用Jennic Flash Programmer软件下载到JN5139的Flash中后，用户程序就可以在JN5139模块上运行。

传感器节点的主要任务是在定时中断函数中采集烟雾数值和读取数字温湿度传感器的数据，并将采集到的数据合成完整的数据包。当传感器节点与协调器之间的距离超过两个设备间直接传输距离时，可由路由器节点自动转发，转发的目的地仍然是协调器。

节点上电时，首先进行初始化操作，包括ZigBee堆栈的初始化及硬件外设的初始化;接着进行信道查询，选择合适的网络等待加入;然后向该网络的协调节点发送加入请求;最后，在收到允许加入的确认之后加入网络，接收协调器发送过来的数据，并把读取的节点测量数据和时间数据发送到协调器。传感器节点软件流程如图3 所示［9－10］。

图3 传感器节点程序流程图Fig.3 The program flowchart of sensor node

系统采用非阻塞的设计方法，减少了CPU等待时间，大大提高了CPU的利用率。定时中断程序主要完成数据的采集。当中断到来时，首先查询传感器状态，然后根据查询结果，完成启动采样、信号转换和读取采样结果等操作，并在一个操作完成之后把传感器状态转换成下一个操作状态，依此循环采集数据。非阻塞程序流程如图4所示。

图4 非阻塞程序流程图Fig.4 The program flowchart of non-blocking method

4 测试结果

对上述方案设计的温度测量进行了试验室验证，同时采用红外测温仪作为标准值，对比传感器节点的测量值，进行了验证。在0～100℃之间选取8个测量点，同时读取红外测温仪和节点温度值，试验结果如表1所示。

表1 试验结果Tab.1 Test results

表1表明:所设计的传感器节点的测量误差较小，符合工程实际需要。

5 结束语

本文针对当前预装式变电站监测中存在的监测点分散、布线困难和实时性差等特点，提出了利用无线传感器网络对预装式变电站内温湿度烟雾进行在线监测的方法［11－12］。本文设计的传感器节点能够实现低成本连续在线监测，较传统在线监测系统具有更大的优势。实际运行表明，该节点运行可靠稳定。

［1］张巧芬，刘彦呈，张勤进，等.基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统设计［J］.低压电器，2011(19):39－41.

［2］王海伦，蔡志宏，范一鸣.电气设备温度监测的无线传感器网络节点设计［J］.传感器与微系统，2011，30(7):97 －99.

［3］李丽芬，朱永利，黄建才，等.基于无线传感器网络的绝缘子泄漏电流在线监测系统［J］.电力系统保护与控制，2011，39(10):74－76.

［4］崔光照，袁赞，刘沙.一种基于JN5121的无线传感器网络节点的设计［J］.汕头大学学报:自然科学版，2008，23(1):43 －45.

［5］黄金波，梁鹏，王德伟.基于JN5121无线ZigBee模块瓦斯巡检系统设计［J］.煤矿机电，2008(3):25 －27.

［6］刘志东，陈彦明.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计［J］.桂林电子科技大学学报:自然科学版，2008，28(5):399－402.

［7］吴键，袁慎芳.无线传感器网络节点的设计和实现［J］.仪器仪表学报，2006，27(9):1120 －1124.

［8］Arici T，Altunbasak Y.Adaptive sensing for environment monitoring using wireless sensor networks［J］.IEEE WCNC，2004，5(1):2350－2355.

［9］宋蛰存，陈宁，李迪飞.ZigBee无线传感技术在森林火灾监测中的应用［J］.自动化仪表，2011，32(4):30 －31.

［10］刘晓宁.ZigBee无线传感器网络在监控系统中的研究与应用［D］.济南:山东大学，2007.

［11］吴常明，苏小龙.基于ARM9嵌入式网关的设计［J］.大众科技，2010(7):13－14.

［12］花铁森.智能家居系统核心技术探讨［J］.智能建筑电气技术，2009，3(1):92 －98.