基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统设计

童凡杰

摘 要 本文通过引入无线传感器网络技术，对变电站设备温度监测系统进行了设计，它能对重要的电力电气设备的温度进行在线监测，具有较高的现实意义和使用价值。

关键词 无线传感器网络，变电站设备，温度监测，节点

1引言

变电站设备是电力生产的重要设备，它们在电力系统中的地位异常重要，但变电站设备在正常的运行应用过程中，极容易因为装置设备老化或者是温度过高等问题，发生运行故障事故，这会对于电力系统的安全稳定运行会产生不利影响。基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统，就是为了保证变电站设备安全运行而设计的。该系统能够实现温度数据的采集、融合和传输，是保证整个电力系统安全稳定运行的重要手段。

2系统的测温原理

本系统使用在线式红外测温仪对变电站敏感设备进行温度测量。测温仪采用固定安装的方式，以使被测设备辐射出的红外能量易于被红外测温仪的物镜接受为安装原则。首先，变电战运行过程中，被测设备辐射出的紅外能量通过测温仪的物镜汇聚到红外探测器上；然后，探测器将辐射能转换成电信号，又通过前置放大器、主放大器将信号放大、整形、滤波后，经过A/D转换电路处理，输入微处理器；最后，微处理器在内部经过线性化处理、温度补偿和发射率修正后，把温度值通过无线传感器网络上报给监控室的主控计算机。

3系统的总体方案

基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统包括硬件系统和软件系统两部分。硬件系统主要包括：温度采集节点（主要部分是温度采集传感器）、汇聚节点和监控室的主控计算机组成。软件系统包括汇聚节点和温度采集节点的程序设计。

数据采集节点的温度传感器负责测量现场温度，微处理模块负责对采集数据进行预处理，并通过nRF905射频收发器芯片将处理数据上报给汇聚节点。汇聚节点按照一定的频率间隔陆续监听各个采温节点上报的设备温度，并将其与该设备设定的报警温度阈值进行比较，若正常则继续监听下一个采温节点上报的设备温度；否则，将该异常数据以通过RS485总线的方式上报给监控室的主控计算机，并同时通过nRF905射频收发器芯片对采温节点下达温度跟踪采集上报的命令，采温节点的微处理器在收到命令后，将控制安装在变电站监测设备上的温度传感器对设备温度进行跟踪采集。监控室主控计算机通过RS485串行总线的方式自动周期地从汇聚节点读取所接收的测温数据，并对数据进行分析，发现超过警戒的温度或温度发生异常波动的则及时报警。此外，测温数据还可以在主控计算机中长期存储以供查询，在设备发生故障时，技术人员可以对设备温度的走势进行分析以辅助故障处理。

4系统的硬件设计分析

4.1温度采集节点的硬件设计

1.微处理器模块

微处理器模块采用MSP430F149 为主芯片，其电路部分主要包括与无线通信单元的接口、与温度数据采集单元的接口和与拨码开关的接口等，具有功耗低、处理能力强、体积小、性能稳定以及方便高效的开发环境等特点，并且其运行温度范围能够适应变电站的工作环境，非常适合于开发低功耗、小型化的远程智能监控终端设备。

2.温度采集模块

本系统将在电力电气设备的易发热部位装设由摄像机、数字云台、红外测温仪等组成的温度采集模块，该模块能够自动保存每次温度采集的记录，精度较高，满足使用要求。

3.无线通信模块

该模块采用单片射频收发器芯片 nRF905， 其电路部分主要包括与 MSP430F149 接口电路、晶振电路和天线部分电路三部分，最高发射速率50 kb/s，10 dB 发射功率条件下，配置外置鞭状天线的有效通信距离为300 m 左右。

4.电源模块

电源模块采用TPS60100 芯片，通过锂一次电池供电提供3.3V 电压。

4.2汇聚节点的硬件设计

汇聚节点硬件设计要满足以下功能：（1）通过无线通信模块汇聚温度采集节点采集到的温度信号；（2）将采集到的温度信号进行分析处理，并嵌入到RS485总线上，等到主控计算机采集；（3）将节点地址、节点参数以及温度采集节点上报的温度数据进行存储，以防丢失。

根据汇聚节点电路要实现的功能，本文将汇聚节点的硬件组成框架设计成如图1所示，由微处理模块、无线通信模块、串行通信模块、存储模块和电源模块五部分。

图1 汇聚节点的硬件组成框架

汇聚节点的微处理模块和无线通信模块与数据采集节点的相应模块原理相同，故不作重复介绍。下面将对其它模块进行介绍。

1.串行通信模块

该模块设计了标准的RS485 总线接口，一方面将汇聚节点处理好的温度数据传输给主控计算机，另一方面根据主控计算机的控制命令对模块进行控制。

2.存储模块

该模块采用AT24C02存储器，工作电压为5V，主要用于存储数据采集节点和汇聚节点的地址和配置信息，以及最近一次的温度数据。存储这些信息一方面是为了防止温度数据遗失，另一方面则是为了给汇聚节点与主控计算机的通信提供依据。

3.电源模块

微处理模块和无线通信模块的供电电压是3.3 V，串行通信模块和存储模块的供电电压是5 V。因此，本模块使用了两个电源芯片 LM2575 和 LM1117-3.3，以分别提供 5 V和3.3 V 电压。

5系统的软件设计分析

5.1数据采集节点的软件设计

数据采集节点的任务就是解析汇聚节点的命令、采集温度数据、根据时隙优先级计算定时时间、发送数据到汇聚节点。其程序流程主要如下：

Step1：关闭看门狗定时器WDT并进行系统初始化；接着打开WDT，置无线通信模块为接收模式，等待并接受汇聚节点发来的组网信号，接着等待汇聚节点的应答信号。若一直没收到则返回组网，若收到，则开始接受汇聚节点的温度采集命令。

Step2：进入采温周期的循环，即先监听汇聚节点的采集温度命令（同时也是同步信号），各个数据采集节点在接收到这个采温同步命令之后，解析出自己的时隙，启动定时器开始一个采样周期。

Step3：采样周期结束后，各个温度数据采集节点根据同步信号的时隙安排将采集好的温度数据发送给汇聚节点。

Step4： 无线通信模块在发送完温度数据之后，设置nRF905为掉电模式，MSP430F149休眠，等待下一个汇聚节点的采集温度命令。

5.2汇聚节点的软件设计

汇聚节点在系统中起着承上启下的作用，其程序流程主要如下：

Step1：对系统进行初始化，初始化完成之后程序进入周期循环，置nRF905为发送模式并连续发生三次组网信号。若有节点申请加入，则返回一个应答信号；若没有节点申请加入，则直接进入下一阶段。

Step2：汇聚节点对在网的各个温度数据采集节点发送采集温度的命令；接着设定等待时间，这段时间是温度数据采集节点的采样时间，采样定时时间到，关闭串口中断，接收各个节点返回的温度数据。

Step3：若汇聚节点三次没有收到在网的温度数据采集节点返回的任何数据，则默认该节点已退出网络。

Step4：汇聚节点处理完温度数据之后，打开串口中断，响应串口命令，直到定时时间到，重新发送组网信号。

6结束语

总之，基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统具有功耗小、采样精度高、系统稳定性好等特点，值得在实践领域进行广泛推广应用。

参考文献

[1] 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

[2] 沈楚焱，杨鹏，史旺旺.基于无线传感器网络的预装式变电站测控系统[J].机电 工程， 2012， 29（10） ：1213-1216