基于ZigBee技术的输电杆塔倾斜在线监测系统设计

黄秀超 钟建伟 张建业 黄谋甫 田家俊 朱涧枫

关键词： 杆塔倾斜; ZigBee技术; GPRS通信; 远程监控; 实时; 在线监测

中图分类号： TN915?34                           文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）05?0095?05

Design of transmission tower tilt on?line monitoring system

based on ZigBee technology

HUANG Xiuchao1， ZHONG Jianwei1， ZHANG Jianye2， HUANG Moufu2， TIAN Jiajun2， ZHU Jianfeng1

（1. School of Information Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi 445000， China;

2. Enshi Power Supply Company， State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Enshi 445000， China）

Abstract： The traditional tower tilt monitoring system has the disadvantages of low automation degree， inability of real?time monitoring， high cost of wired network and difficulty of expanding and maintaining. In combination with the actual demand of power system and advantages of ZigBee wireless sensor network technology， a low?power consumption， high?precision tower tilted remote monitoring system based on ZigBee technology and GPRS communication technology is designed. The overall design scheme of the system is introduced in detail， including the hardware and software design of the system such as ZigBee communication module， GPRS communication module， power module and remote detection center. The test results show that the system runs smoothly， can realize the real?time and on?line monitoring of the power transmission tower tilt in the monitored area， and has strong implementation and wide application prospect.

Keywords： tower tilt; ZigBee technology; GPRS communication; remote monitoring; real?time performance; on?line monitoring

0  引  言

随着国家经济的飞速发展，电能消耗越来越大，电能资源东西分布不均的矛盾日益突出，尤其是华东、华北地区的用电量急剧增加，必须通过“西电东送”将西部地区的电能资源输送至东部地区[1]。因此高电压输电线路建设越来越多，高电压线路的输送距离长，分布区域广，大部分处于地形复杂、环境恶劣的偏远山区，不便于巡视和维护。在独特的气候条件和地理条件下，很容易发生杆塔倾斜，如果杆塔倾斜不能被及时发现，很可能引起倒塔、断线等事故，造成重大经济损失。目前对输电杆塔倾斜的监测主要采用有线通信、人工巡视、视频监控等方法[2?3]。但是有线网络成本高、不利于扩展;人工巡视测量误差大、受地理条件影响明显;视频监控只能做到事后监测。这些方法均不能让维护人员实时了解到杆塔的运行状态，并对潜在危险采取及时的措施，防止倒塔、断线等事故的发生。

针对以上问题，本文设计了一种基于ZigBee技术和GPRS通信技术的输电杆塔倾斜在线监测系统。本系统使用MPU6050传感器对输电杆塔的运行状态进行数据采集，以作为在线监测和杆塔倾斜预警的依据。使用ZigBee无线网络通信技术[4?7]完成传感器采集到的数据和远程监控中心下发指令在指定的无线网络中的交互;使用GPRS通信技术实现数据的远程传输;使用干电池供电，太陽能供电和可充电电池相结合的方式供能，可以在极端气象和特殊地形条件下对输电杆塔运行状态进行实时监测，并及时有效地向维护人员反馈输电杆塔的运行状态。经实验验证，本设计可行性高、能耗低、监测精度满足要求，对倒塔、断线等事故的发生具有一定的预防作用。

1  监测系统方案设计

本系统由MPU6050传感器、ZigBee通信模块、GPRS通信模块、电源模块和远程监控中心等部分组成。其中电源模块为系统中各传感器和通信模块供能;MPU6050传感器和ZigBee通信模块构造终端采集节点，安装在输电杆塔上对杆塔的倾斜状态进行数据采集;通过ZigBee无线通信模块组建覆盖被检测区段的低成本、多节点的稳定无线传输网络，完成MPU6050采集到的杆塔倾斜数据在本无线通信网络三种节点之间的传输。ZigBee协调器节点收到子节点上传的数据后，将数据通过串口传到MSP430F149进行处理，然后将处理后的数据通过串口传递给GPRS通信模块，运用GPRS通信技术对数据进行远距离传输，最后在远程监控中心通过数据接收设备对数据进行接收，并通过串口传递给PC机，利用Matlab、VB 6.0和ACCESS等软件开发相应的操作界面和系统数据库，对杆塔倾斜数据进行实时显示、降噪、去噪和存储，方便工作人员对数据进行查阅、统计和分析。监测系统结构框图如图1所示。

2  系统硬件设计

本系统的硬件设计主要包括终端节点、路由器节点、协调器节点、电源模块以及PC机等部分。系统中三种设备的设计采用树簇型拓扑结构[8?9]，其中路由器节点和终端节点的硬件设计相似，主要区别在于软件设计方面，所以对于路由器节点的硬件设计不进行赘述，只对终端节点、协调器节点和电源模块等部分进行介绍。

2.1  终端节点硬件设计

终端节点固定在输电杆塔顶端，通过与之相连的传感器对杆塔运行状态进行数据采集，然后通过ZigBee无线通信模块将采集到的数据打包发送给本网络中的父节点;通过父节點接收远程监控中心下发的指令并作出应答。终端节点硬件包括ZigBee通信模块、倾角传感器和电源模块等部分，结构框图如图2所示。

本设计选用MPU6050传感器，采用集成的3轴MEMS陀螺仪和加速度计进行杆塔运行状态数据采集，然后通过内部集成的ADC处理器将输出量转化为数字量，并且内部还有可编程的低通滤波器，具有抗干扰性强、包装空间小、采集精度高、能耗低等优势。

终端节点、路由器节点和协调器节点均采用TI公司的CC2530芯片[10]。CC2530是一种用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的SoC芯片，结合领先的RF收发器和增强型8051 CPU，可以实现数据的处理和收发功能，拥有多个外设接口可以用来拓展节点的功能，此外，还具有不同的运行模式，且不同模式之间转换响应快，可以以极低的成本组建一个多功能、高抗干扰性的无线网络。

2.2  协调器节点硬件设计

协调器节点主要完成ZigBee无线网络的组建，接收和处理各子节点上传的数据，并通过ZigBee无线网络向子节点发送远程监控中心下发的指令，以及利用GPRS网络将子节点的上行数据上传到远程监控中心。该部分主要包括ZigBee通信模块、MCU模块、GPRS通信模块和电源模块等，其硬件框图如图3所示。

MCU模块采用TI公司的MSP430F149 MCU，它采用16位RISC架构，数据处理能力强，运算速率高，具有不同的工作模式，且不同模式之间的转换响应快，可以在超低功耗模式下通过算法对数字信号进行处理。

GPRS模块采用SIM800A型GSM/GPRS模块。用户可以通过TTL或RS 232串口实现该模块与MCU和其他串口设备之间的数据接入，然后利用模块内嵌的TCP/IP协议，实现GPRS网络与Internet网络的接入，在低功耗条件下实现信息的远程传输。

2.3  电源模块设计

由于本设计中三种节点的工作模式采用非信标模式[11]，综合设备利用率和经济性考虑，采用蓄电池对终端节点供能，采用太阳能供电和可充电电池相结合的模式对路由器节点和协调器节点供能。系统中CC2530芯片的工作电压为2.0～3.6 V，且MSP430F149和MPU6050等元件的工作电压均为3.3 V左右，所以采用3.3 V电压作为系统中三种节点的供电电压。

3  系统软件设计

本文第2部分介绍的硬件设计只能完成本系统物理层的部分功能，物理层以上的功能需要借助软件来完成。本设计用Z?Stack ?CC2530?2.3.0?1.4.0作为ZigBee协议栈，用IAR EW8051?8.1作为软件开发环境，所有程序在开发环境中完成编译和调试后，通过下载器烧写到相应的硬件节点中。

3.1  终端节点的软件设计

终端节点通电启动后，完成硬件初始化，然后主动扫描信道，向父节点发送入网信号，以加入组建好的网络;如果未能加入网络，将会再次发送入网信号，直至成功加入指定的网络。成功加入网络后，在没有接收到指令的情况下，终端节点会自动进入休眠状态，以减小节点的能耗，增加电池的使用时间。当接收到指令时，终端节点会被唤醒，然后通过节点上的MPU6050传感器采集杆塔倾斜数据并进行处理、打包，然后将数据包通过ZigBee无线通信网络传输给其父节点。如果数据发送成功，节点则再次进入休眠模式;如果不成功，节点需要重新发送数据，直到成功为止。其流程如图4所示。

3.2  路由器节点的软件设计

路由器节点通电启动后，完成硬件初始化，然后选择信道进行网络搜索，寻找附近的协调器节点，并发送入网信号，尝试加入该协调器节点建立的无线通信网络。如果路由器节点未能加入网络，则会再次发送入网信号，直至成功加入网络。成功加入网络后，会得到协调器节点分配的网络短地址，然后等待终端节点的加入。当终端节点加入成功后，路由器节点会根据协调器节点分配的短地址区间为其每一个子节点分配网络短地址（通过该短地址实现协调器节点和终端节点的连接，并完成两者之间的数据传输）。路由器节点就会处于信号接收模式，当接收到信号时，会对接收到信号的类型进行判别，并做出相应的应答，保证每个指令都能及时准确地传输到对应的目的节点。其流程如图5所示。

3.3  协调器节点的软件设计

协调器节点负责整个ZigBee无线网络的组建和维护，系统上电启动后，对系统进行初始化，然后进行能量检测，选择合适的信道为自己的网络确定一个PAN ID，并以广播的形式发送自己的网络ID、信道等信息。等待子节点的入网申请，并作出相应的应答，如果子节点被允许加入网络，则为其分配一个16位的网络短地址，使该子节点能够参与到自己组建的无线通信网络的通信。协调器能够接收子节点发送来的数据包信息，并通过MSP430F149对数据包进行处理，然后通过GPRS通信模块将数据上传到远程监控中心，并将远程监控中心的下行指令发送到相对应的子节点。其流程如图6所示。

4  实验结果及分析

4.1  实验结果

本次实验选用1个终端节点、1个路由器节点、1个协调器节点，在实验室组建无线通信网络。利用CC2530 ZigBee模块和MPU6050传感器构造杆塔倾斜的终端节点，采集输电线路杆塔倾斜数据，然后通过路由器节点进行中转，将数据传输到协调器节点，经MSP430F149处理后通过SIM800A模块将数据上传到网络，远程监测中心通过GPRS接收装置从网络中读取数据并通过串口接入PC机，利用操作系统对数据进行动态去噪、降噪处理，显示和存储，以便工作人员日后查询或调用。在转动终端节点以模拟杆塔倾斜的过程中，PC上通过串口调试助手得到的实时杆塔倾角数据以及变化波形图分别如图7，图8所示。

4.2  实验结果分析

通过测试结果分析可得，利用卡尔曼滤波算法对得到的数据进行降噪、去噪处理以后，若输电杆塔的运行状态良好，并未出现倾斜时，远程监控中心得到的杆塔运行方位角在三个轴方向的数据是稳定不变的;当输电杆塔出现倾斜时，维护人员可以从远程监控中心及时得到杆塔倾斜在三轴方向的具体数值、变化曲线和变化幅值，并且可以采用神经算法等算法对倾斜的趋势做出预测，然后根据是否达到杆塔倾斜临界值采取相应的措施，防止事故的发生。本设计通过ZigBee技术和GPRS通信技术相结合的方式实现了输电线路杆塔倾斜在线监测，达到了本系统设计的预期效果。

5  结  语

本设计采用MPU6050传感器、CC2530 ZigBee模块和SIM800A GPRS模块相结合的模式，充分利用ZigBee和GPRS无线通信的优势，克服有线通信局限性的同时，本设计只需要在每个需要检测的杆塔上安装一个终端节点和传感器便可实现输电线路杆塔倾斜的在线监测，相较于其他系统，采用SCA100/200T等传感器进行监测时需要在一个杆塔上安装多个终端节点和传感器，减少了建设成本，提高了输电线路杆塔运行的可靠性和在线监测系统的经济性，并且使用干电池、太阳能电池板和可充电电池相结合的方式供能，尽可能地克服了地理位置和天气条件带来的局限性，对输电线路杆塔倾斜进行实时监测。结合电网建设项目，经实地测试，系统有效可行且精度高，证明本系统具有很好的可行性和广阔的应用前景。

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