微型无线传感器在动力微环境监测中的应用

翁志远，彭 伟，姜 鎏

（1.中国电信上海公司云网运营部电源空调中心，上海 200092；2.中国电信上海公司总工程师办公室，上海 200120）

0 引 言

传统动力环境监测系统是针对动力机房大环境进行监测，缺乏对动力机柜等设备级别的内部环境监测的能力，不能及时发现设备内部潜在的一些安全问题，以至于很多设备在发生故障后引发更大的安全事故，造成重大损失。因此实现对动力设备内部的一些关键点进行监测，及时发现设备内部安全隐患，与现有的传统动力环境监测系统形成大小环境监测互补，是提高动力设备安全运行的一个有效技术手段。

但与传统大环境监测系统相比，实现对设备级别的动力微环境监测有诸多问题需要解决，其中关键问题之一就是传感器选择。有别于传统动力环境监测系统，由于动力微环境监测主要是针对动力设备内部环境进行安全监测，因此存在着传感器安装、操作空间狭小、供电和数据传输布线困难、施工周期长、日常维护缺乏手段等众多问题，需要创新思路来解决动力微环境监测这方面的需要。有别于传统动力环境监测系统的，微环境监测系统需要的传感器采集密度也更大。大量的传感器不仅会带来前述的安装等方面的问题，也会给传感器组网资源分配、数据传输、平台数据处理等各方面都带来压力。

综合多方面考虑，传统传感器较难满足动力微环境监测的要求，需要一种新型的传感器来解决这些问题，从而使动力微环境监测能从实验室走向实际推广应用。

1 微型无线传感器

微型无线传感器是专为解决动力微环境监测研究与实践中遇到的工程问题而由中国电信上海公司自研的新一代传感器。该系列传感器采用当今最新传感技术、最新SOC芯片设计，在确保功能、性能的同时，传感器又有着非常小巧的尺寸，是一款有别与传统传感器，非常适合在动力微环境监测的环境中使用，又能兼容传统监控需求的新一代微型无线智能传感器[1]。

1.1 外形尺寸

微型无线传感器有多种传感器外壳，但其主要传感器外形如图1。整个传感器外壳尺寸仅为34 mm×34 mm×25 mm。为了便于生产、安装和维护，传感器外壳还被设计成多种安装模式通用型，具备的多种不同功能的结构。传感器外壳采用高绝缘、高阻燃材料，能满足当前绝大多数动力设备内部环境安全使用的要求。另有硅胶表带式传感器外壳，如图2，可以满足更多不同安装方式的需要。

图1 传感器外形

图2 硅胶表带式传感器外壳

1.2 内部结构

微型无线传感器内部主要为一块多功能通用电路板，见图3。通用电路板是一块含有多种微型传感器安装位置，并集成SOC处理芯片、2.4 GHz天线、多种接口和元件的高度集成的PCB板。板上除了具有一个14250型号的电池安装位置、一个LED工作状态指示灯、一个电源开关外，还有一个多功能传感器扩展口。这个扩展口既可以直接内接某些类型的传感探头，也可以安装一些传感器模块，还可以外接一些常用的数字或模拟传感器探头，甚至是外接一些其他类型的传感器的输出。除了可以内装电池供电外，还保留了外接供电接口；可以无线方式进行数据传输，也保留着有线数据传输的接口。这块电路板的另外一个通用特点就是它也可被装配成可与传感器配套使用的无线数据接收板、无线数据中继板等，将它嵌入相关的智能设备后就可以使这些设备成为无线集中器或无线中继器等，实现无线传感器采集数据的集中、处理、传输或中继等功能。

图3 微型无线传感器内部结构

1.3 微型无线传感器数据采集及安装

动力微环境监测系统主要注重动力设备内部各关键点安全方面的监测，目前已有下列传感器和相关配套产品，可以满足动力微环境监测大部分情况下的监测需求：接触式温度传感器；非接触式温度传感；外接式探头的温度传感器；温湿度传感器；异响传感器；异常气味传感器；水浸传感器；烟雾传感器；弧光传感器；外接式开关量传感器；微型无线数据接收板；微型无线传输中继板。

另外传感器还有一个多功能传感器扩展口，可以很方便地把许多其他种类的传统传感器接入进来，纳入到动力微环境监测系统中，从而大大地拓展了系统对各种传感器的接入能力。

1.3.1 微型无线传感器数据采集

1.3.1.1 接触式传感方式

此微型无线传感器底部开有温度探头窗口，见图4。当传感器被装配成接触式温度传感器并安装到监测点后，温度探头被内部弹性元件与被测点直接压在一起，形成物理接触，与从而能够快速精确地得到监测数据[2]。

图4 接触式温度传感器

1.3.1.2 非接触式传感方式

多种传感元件内置的传感器，如温度、湿度、温湿度、异常气味、异响等等，这些传感器通过外壳四周镂空的通风栅格，可很好地感知周边微环境的情况，实现非接触式的传感监测。

1.3.1.3 外接传感探头与多功能扩展口

因为动力微环境监测传感器安装环境的复杂性，即使有了尺寸很小的传感器和多种传感器安装固定方法，也不能保证在工程中所有传感器都能直接安装在监测点上，这时就需要采用其他办法解决这个问题。微型无线传感器外壳顶部有一个多功能扩展口可外接传感探头，如图5。外接的传感探头非常纤细，可以伸入极小的监测点空间，并采用快速粘贴方式行安装固定，实现监测。

图5 多功能扩展口

多功能扩展口也可很方便地配置成传感信号输入口，如模拟量信号输入口、开关量信号输入口，甚至是一些与此接口兼容的数字传感信号输入口，从而使传感器具有了在不额外增加传感器类型的情况下，借助其他一些第三方传感器获得动力微环境监测所需的一些监测数据，见图6。

图6 接入其他类型传感器

相对应的，微型无线传感器的多功能扩展口也可以被配置成传感器信号输出口，用以把传感器自身的监测结果，分享给其他传感器或相关设备，见图7。

图7 输出传感器信号

微型传感器通过传感数据的共享，增强了各种传感器的接入能力，扩大了动力微环境监测可使用的传感器范围，提高了动力微环境监测获取更多监测数据的能力[3]。

1.3.2 多种安装固定方式

在动力微环境监测中，被监测设备传感器安装环境复杂、空间狭小，传感器安装难度大，施工操作困难，因此对传感器的安装固定方式和可操作性都有很高的要求，否则会给工程施工带来极大的不利。微型无线传感器体积虽小，但小小的机壳却设计有多种的安装固定方式，而且各种安装方式都简单易行。施工时只要选择最合适的安装固定方式，不仅可使传感器的固定做到安全牢靠，而且在狭小空间内的操作也都很方便，大大降低传感器安装难度，从而减少了传感器工程施工和今后维护工作的工作量。

1.3.2.1 磁吸安装

对于安装位置属于导磁材料的监测点环境，可在传感器底部的二个固定孔位加装二块强磁，采用磁吸方式进行固定[4]。在另外二个孔位加装泡棉起到平衡和缓振作用，对于安装位置需要防位移的，则可采用双面胶泡棉见图8。

图8 磁吸安装方法

1.3.2.2 粘贴安装

对于不是导磁材料的监测点安装环境，传感器底部的4个固定孔位都可以安装强力双面海绵胶用以固定传感器。

1.3.2.3 扎带安装

微型无线传感器的外壳靠近顶部有4个对穿的扎带捆扎预留窗口，在传感器需要用捆扎方式安装时，可以通过这几个窗口用扎带把传感器向下或向上固定传感器，见图9。

图9 扎带安装方法

1.3.2.4 卡接安装

微型无线传感器的外壳靠近底部四周有一圈卡槽，如图10。专门用于连接多种基于卡接固定方式的传感器快速安装部件，然后把传感器固定在需要监

图10 卡接安装方法

测的位置，见图11。

图11 卡接快速安装部件

1.3.2.5 表带式安装

外壳采用硅胶材料制造的表带安装方式的传感器，供某些场合传感器应用的需要，见图2。

1.4 无线数据传输

动力微环境监测需要解决的另外一个很重要的问题就是布线问题。因为动力微环境监测的对象通常内部空间狭小，结构复杂，基本上都无法进行数据传输线路布线工作。另外采集数据的最后汇总如果专门建立传输线路，成本也非常高昂。微型无线传感器在同一个动力设备内部的各传感器采用2.4 GHz无线通信方式与集中器实现监测设备层级的采集数据汇总和处理，然后再通过NB-IOT无线物联网技术把设备状态数据从各集中器传输汇总到监测平台，见图12。因此全程不需要施工布线，从而摆脱了动力微环境监测施工布线困局。

图12 微型无线传感器的无线数据传输方式

1.5 低功耗设计

在动力微环境监测对象中，很多设备无法给传感器提供电源，即使有可用电源，但基于前面相同的原因，施工布线也很困难，所以采用电池供电方式是较优的方案。

微型无线传感器采用超低功耗的电路设计方案，使得传感器电路整体功耗大为降低。另外通过优化传感器休眠、唤醒方式并采用可设超阈值触发突发上报和可设定时的数据采集上报等多种超低功耗监测模式，在保证数据采集实时性的前提下，也大大降低了传感器的功率消耗，这就使得微型无线传感器都可以采用电池供电方式长期运行，而且电池使用寿命最长可以达到5年以上。另外传感器电量信息上报功能可以使系统平台在传感器电量耗尽前就能发出报警，通知维护人及时采取措施，防止传感器掉电失效。

1.6 分组管理与灵活组网，提高无线频道利用率

动力微环境监测还有一个特点，就是与传统的动力环境监测相比，传感器数量要多得多。通常一个动力设备的微环境监测就需要许多个传感器来完成，很多的被监测设备就意味着有很多的传感器，也就意味会产生大量的实时采集数据，这些数据都需要传输、处理，这将会给系统的数据传输和平台处理带来压力。微型无线传感器为解决这个问题，引入了“组”概念，见图13。

图13 同一设备内的传感器被编为一组

一个动力设备内的所有传感器可被编为一个组，一个组实际上代表了一个设备，组内各传感器可根据配置，自主对各自的监测点进行实时监测。只有传感器的监测数据满足上报条件时，才主动发送给组内的无线集中器。集中器依据这些数据对该动力设备安全状态进行综合分析，并按一定的逻辑做出智能判断，得出这个设备当前的安全状态，并根据需要决定是否上报这个状态。微型无线传感器就这样通过分组的处理方式，把一个动力设备微环境监测的很多采集数据变成了只需一个安全状态数据就可以表达和上报。这样就大大减少了需要进行传输和处理的数据量，降低了对数据传输系统的要求，也减小了系统平台数据分析处理的压力。

微型无线传感器采用了2.4 GHz公用频段进行组内传感器采集数据的无线收发。2.4 GHz频段理论上有128个频道资源可用，一个组占用一个频道，同一个无线覆盖区域内就可以有128个组，就可以监测128个设备。但因为是公用频段，实际上很多频道会被其他民用设备占用，造成很多频道无法使用[5]。另外为预防各种因素引起相邻频道的串扰，通常频道被间隔使用，所以实际真正可用频道资源非常有限，如果仅以频道这一个参数进行分组，遇到大局站，需要监测的设备一多，频道资源马上就不够用。为解决这个问题，微型无线传感器对前面提到的“组”，采用了更加灵活的“组”区分方式，见图14。

图14 更加灵活的“组”区分方式

在动力微环境监测中，不同的设备实现微环境监测时需要传感器数量往往是不同的，有的只需几个，有的却需要几十个。一个只有几个传感器的组占用一个频道，显然是非常浪费的，所以在设计时又引入了一个称为“网络编号”的组识别参数，与频道编号组合在一起对传感器进行复合编组。只有同一频道和同一网络编号的传感器才属于同一个组，这样在同一个频道下，如果传感器总数不多，在确保一定的数据碰撞率的情况下，就可以不同的网络编号，再增加另外的传感器组，从而提高了频道资源的利用率。

针对可用频道资源紧张的情况，微型无线无线传感器还采用的另外一种方法提高频道资源利用率，那就是采用频道覆盖场域可控技术，见图15。

图15 采用频道覆盖场域可控技术

在实际应用中，一个动力设备微环境监测的一组传感器（包括集中器），通常只占用很小的一块机房空间区域，所以该组占用的无线频道信号强度只需满足覆盖这一块区域，就可以保证组内监测数据的可靠收发。这样只要确保足够的安全距离，就可以在另外一个机房空间区域对该频道进行再次的利用。微型无线传感器可以根据实际环境需要，非常方便地在离线或在线状态下，对传感器的无线信号功率进行设置和调整，从而控制其无线频道信号场域覆盖范围。这样在动力微环境监测实施中，遇到频道资源紧张时，就可以对宝贵的频道资源进行重复利用，从而解决频道资源紧张问题。

1.7 传感器监测数据的配置和更新

在动力微环境监测中，被监测动力设备各种各样，内部微环境监测要求也不尽相同，同样的传感器，在不同的设备、不同的监测点，不同的时期、不同的季节，监测参数的设置可能就完全不同。

传统的传感器基本上只能进行简单地完成数据采样，其他的如监测阈值、采集周期、定时上报等一些重要的个性化监测参数都由采集控制器来实现。微型无线传感器则不同，得益于其强大的SOC芯片功能和性能，很多在传统监测系统中只能由较高层级设备才能实现的功能，在微型无线传感器中就能实现。相关的采集监测参数不仅都可被配置，而且除了离线配置，还支持以在线的方式进行参数的配置和更新，极大的方便了动力微环境监测工程施工后监测参数的调整。

2 微型无线传感器在动力微环境监测中的应用情况

微型无线传感器是一款新型传感器，从很多方面都可以看出，这是一款专为动力微环境监测量身定做的传感器。为了能在狭小空间中实现设备微环境的监测，传感器被设计成了微型传感器；为了解决布线难题，传输采用无线方式；为了解决供电问题，采用电池供电方案；为了延长传感器电池使用寿命，采用了超低功耗电路设计和省电监测上报模式；为了提高系统数据传输和处理效率，又采用分组、分层处理方式；为了提高无线资源利用率，又采用了同频不同网络编号的分组方式和场域控制技术等。

综上，微型无线传感器的推出使得动力微环境监测中遇到的传感器方面的这些问题都得到了较好的解决。从而使得动力微环境监测能从实验室走向实践和应用。多个实际应用案例表明，微型无线传感器能在现有的绝大多数动力设备，甚至是内部集成度很高的动力设备的微环境监测中得到了很好的应用。如在上海电信信息园区和枢纽楼的配电设备和供电设备中，微型无线传感器得到大量应用，并经历了较长时间运行的考验，取得了良好的应用效果，受到行业相关专家们的一致好评。并且作为一款新型实用的传感器，其结构、外观、电路等一些独特的设计都已经申请了专利进行了知识产权的保护。

3 结 论

在动力微环境监测的研究和实践中，遇到了许多与传统动环监控系统完全不同问题，很多问题最终都涉及到传感器，国内外市场目前也基本上找不到一款各方面都特别适合动力微环境监测的类似的传感器，微型无线传感器的创新解决方案，针对了传统监控的痛点、难点，采用了近年来IT领域、芯片领域和无线通信领域的新技术成果，自研开发了此类满足微环境监测的传感器，从而为动力微环境监测系统的实施、推广、普及奠定了基础。