基于WSN的配电网数据采集系统的研究与设计

王薇，贾素梅

(邯郸学院，河北邯郸056005)

配电网是电力系统的重要组成部分。在电力系统的长期运行中，配电网中的各种设备因老化等问题常常会造成供电系统的失效。因此，为了保证电力系统的正常运行，就需要对配电网内的各类设备进行在线监测。在配电网中，配电装置包括了开关电器(断路器、隔离开关、负荷开关等)、保护装置(熔断器、继电器、避雷器等)、载流导体等设备。对这些设备的在线监测离不开及时准确的数据采集系统[1]。

传统的数据采集系统中，中央监控中心与监测端的通信大多采用有线传输，这种方式的优点是可靠性高，但是存在着布线复杂、维护困难、网络结构不灵活的缺点，因此，利用无线采集系统取代有线监控系统势在必行。

无线传输是利用电磁波来实现数据传输的通信方式。目前应用较多的是蓝牙、Wifi、红外数据传输、ZigBee等形式。在这些技术当中，基于数据传输距离、速度、耗电量等方面的考虑，应用以ZigBee技术为核心的无线传感网(WSN)是一种良好的选择[2]。

1 无线传感网技术分析

随着传感器技术、嵌入式技术、网络及无线通信技术、分布式信息处理技术的不断发展，WSN从最初的结点及网络协议设计，再到智能群体的研究，已经成为无线通信的一种热点技术。

WSN是新一代的传感器网络，是一种新的信息获取和处理模式。WSN是由数量众多、分布随机的网络内结点组成。这些结点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，具体结构如图1所示。这些结点通过人工布置或飞机布撒的方式部署在预感知对象的附近，且采用自组织的方式构成网络，并借助于结点中内置的形式多样的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分及移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象，实现对所在环境的监测。

图1 WSN结点结构

整个传感器网络的基本结构如图2所示。图中的每一个传感器结构以自组织的形式构成网格，并通过多跳中继方式将监测的数据传至汇总结点(sink)，再由汇总结点将整个无线传感网中的数据传送至远程管理中心进行集中处理。

传感网中的每一个传感器结点通常是一个微型的嵌入式系统。它具有一定的处理能力、存储能力和通信能力，可以完成数据的采集和处理功能。但是由于无线传感网中每一个结点的能量有限，所以每一个结点的处理能力都不是很强。目前，适用于短距离的无线通信技术大致有蓝牙技术、ZigBee技术及Wifi技术。相比较而立，ZigBee技术以其功耗低、结构简单、性价比高、扩展简便及安全可靠等优点成为构建WSN的最佳选择。

图2 无线传感网网络体系结构

本设计采用ZigBee技术，以Ad-Hoc方式构成的无线网络，整个网络采用簇-树状拓扑结构。每一个结点采用CC2530芯片作为微处理器。CC2530的引脚端口与传感器相连，形成数据采集的终端。

2 数据采集系统总体架构设计

配电网数据采集系统主要包括三个基本模块：底层数据采集模块、数据传输模块和数据存储管理模块，具体结构如图3所示。

图3 系统总体架构图

底层数据采集模块由CC2530所带的电流、电压、温度、湿度、红外、振动等传感器组成，这些传感器所采集的数据经CC2530中的8051单片机简单处理后传至数据传输模块。

数据传输模块由ZigBee路由器结点组成，这一部分也由CC2530芯片担当。这些路由器结点组成树状网络，形成数据上传至汇总结点的通道。

数据存储与管理模块由ZigBee协调器与PC机组成，Zig-Bee协调器由CC2530担当，与PC机用USB线进行连接，串口进行数据通信。PC机接收数据后对数据进行进一步的存储与处理。PC上安装有网卡，形成与Internet网的连接端口，从而满足远程监控的需要。

3 数据采集模块随机干扰的滤波设计

在无线传感网进行数据采集的过程中，测量通道中串入随机干扰是不可避免的。随机干扰的出现会引起测量误差，对远程的监控不利。因此，采取某种手段对采集数据进行滤波是保证采集数据准确性的前提。

常用的数字滤波算法有算术平均滤波、加权平均滤波、中位值滤波、限值滤波等方法，本设计采用基于中位值滤波方法的中位值平均滤波方法。

通常中位值滤波是对采集信号进行排序，取位于中间的数据作为一次的采样数据。这种方法对高频干扰和低频干扰都有一定的滤除效果，但是对于某些变化快速的采集数据，如电流、电压、振动等，不宜采用中位置滤波。

中位值平均滤波方法是在中位值排序的基础上，将最大和最小的数据去掉，然后将剩余的数据进行平均，最终将平均值作为一次采样数据。因此无论对于缓慢变化的信号，还是对快速变化的信号，都能取得良好的滤波效果。

4 总结

本文利用无线传感网构建了配电网数据采集系统。该系统以ZigBee技术为基础，利用CC2530的处理能力及路由能力，形成了一个多跳自组织的簇-树状无线传感器网络。同时，采用中位值平均滤波法对随机干扰进行了过滤，提高了信号的洁净度。

[1] 张永健.电网监控与调度自动化[M]．北京：中国电力出版社，2011：3-5.

[2] 屈军锁.物联网通信技术[M]．北京：中国铁道出版社，2011：124-125.