基于物联网的变电站端子箱小动物驱离方案研究

陆卓渊，陈达

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

变电站大多处于较偏僻地段，成为鸟、猫、老鼠、壁虎等小动物乐于栖息的地方，随着无人值守模式的推行，变电站小动物隐患日益突出。小动物进入站内带电设备区将导致短路、跳闸事故的发生，破坏了设备运行环境，对电力设备的持续安全稳定运行造成了威胁，增加了运行人员的维护压力。其中，变电站端子箱小动物隐患较为常见，又存在造成直流接地、二次回路短路进而设备跳闸等严重危害性，隐患发生概率高、危害程度大的双重特点使其成为变电站防小动物管理的重点关注内容之一。因此，亟须研究一种行之有效的变电站端子箱小动物驱离方案。

1 现状分析

变电站内小动物活动具有随机性、长期性、复杂性，难以采用主动措施将其彻底清除。目前防小动物管理采用的方法主要有：（1）多层级封堵，隔离站内站外、箱内箱外通道，避免小动物进入端子箱。该方法防护较为完整，但封堵措施一方面会老化和被破坏，另一方面容易随着站内设备改造验收不到位产生漏洞。（2）诱捕，放置粘鼠板等捕获小动物。该方法偶有捕获但隐患难以根除。（3）驱赶，放置樟脑丸等进行驱赶。该方法短期内有一定效果，随着时间流逝，效果显著下降。以上措施都存在过于被动，无法主动探测并告警，需要人力定期维护的缺点。

2 系统原理与设计

2.1 工作原理

基于物联网的变电站端子箱小动物驱离方案，设计了一个针对端子箱小动物隐患的物联网告警驱离系统，该系统由主动驱离装置、物联网网关以及远程监视终端三部分组成。驱离装置负责收集现场信息，发出驱离信号。物联网网关作为现场中心，收集驱离装置上送的信息并做出分析，整合上送到远程监视终端。该系统工作原理如图1 所示，能对驱离装置搭载的超声波传感器所收集的感知信息进行分析并上传到物联网告警网关，实现运维人员的远程监视。同时，发出可变频的超声波及多照度的闪光，结合刺激性气体使箱体内小动物难以栖息，产生不适，实现多手段协同驱赶的效果。

图1 基于物联网的变电站端子箱小动物驱离系统

2.2 主动驱离装置设计

现场驱离装置是整套方案的末端部分，既是现场信息的来源，又负责执行声光气驱离。其设计框图如图2所示。该装置以MCU 为核心，构件具体包括微处理单元、通讯模块、超声波探测模块、音频功放芯片、蜂鸣器、LED 等。

图2 主动驱离装置原理图

（1）通讯。通讯上选用Zigbee 协议传输信号。Zigbee 协议其优点在于编写相对简单，传输距离远，可达3000m，其缺点在于传输速度慢，绕射能力差。如需传输视频信号，可选用WIFI 协议，其优点在于传输速度快，但同样具有绕射能力差，传输距离短的缺点。

Zigbee 可以分为协调器、路由器和终端设备三种类型。驱离装置采用终端设备类型的Zigbee 模块，具有加入和退出网络的功能，并能发送和接收报文。而物联网告警网关将采用Zigbee 协调器，成为网络的中心节点。本系统采用Digi 公司的XBee 模块，它是一种基于Zigbee 协议的产品。

（2）小动物入侵检测。小动物探测采用超声波距离传感器。对外界动物活动的探测，可选用PIR传感器（即被动红外传感器）或超声波传感器，但PIR 传感器是通过检测红外辐射确定动物活动与否，只适合检测人等恒温动物，而端子箱内常见的壁虎作为变温动物，发出的红外辐射较弱且不固定，故不适合采用PIR传感器。因此，该系统选用HC-SR04 超声波距离传感器来完成入侵检测。当壁虎等小动物在端子箱内活动时，超声波探测器可检测到距离变动，以此判定存在小动物活动。HC-SR04 传感器的测距距离在2 ～400cm，测量角度在15°。其核心是2 个超声波传感器。1 个用作发射器，将电信号转换为40kHz 超声波脉冲，另一个接收器监听反射回来的脉冲，如果接收到，它将产生一个输出脉冲，其宽度可用于确定脉冲传播的距离。由于测量角度较小，该装置采用4 路超声波检测来实现对空间的更全方位覆盖。4路超声波入侵扫描监测功能实现方式如图3，告警蜂鸣功能实现方式如图4。

图3 4 路超声波入侵扫描监测功能

图4 告警蜂鸣功能实现方式

（3）声光气驱离。研究发现蚊子、蟑螂、老鼠等害虫在22 ～55kHz 的声波范围内比较敏感，这个频段会使其内分泌系统和生理功能会产生絮乱，从而起到驱赶和杀灭的效果。因此，本系统采用4 路超声波发生器产生22 ～55kHz 的声波，波段可调，实现四个方向驱离。在检测到小动物入侵时，装置将按设定频率发出超声波，同时通过LED 发出高照度闪光，结合内置刺激性气体模块产生的刺激性气味，使壁虎等小动物产生生理不适、受到惊吓而逃离，实现对端子箱内小动物的主动驱离。超声波驱离功能实现方式如图5，4 路高亮度闪光功能实现方式如图6。

图5 超声波驱离功能实现方式（图示1 路，装置共4 路）

图6 4 路高度亮度闪光功能实现方式

2.3 物联网告警网关设计

物联网告警网关是整套方案的核心，对现场提供Zigbee 和WIFI 模块的接入，对外提供4G 移动网络的接入。

功能上，一方面，需汇总现场驱离装置的工作状况，对上传的数据进行综合分析，判断是否上送告警信号；另一方面，将判断结果汇报远程监视终端，运维人员据此信息关注现场状况，决定是否要到现场巡视。告警网关承担着现场驱离设备和远程监视终端连接的枢纽职责，涉及多节点接入和通信协议转换，本方案采用Arduino 开发板完成。告警网关业务框图如图7所示。

图7 告警网关业务组成

告警驱离系统需要在Arduino 上搭建服务器，运行管理程序以控制各现场驱离装置。Arduino 与XBee 之间的连接较简单，通过自带的串行接口向XBee 模块写入数据即可，前提是使用相关配置软件X-CTU 配置好发送端和接收端的控制参数。本系统使用XBee 模块的API数据传输模式。在与远程监视终端的连接上，使用了SIM7600E 通信模块，该模块是目前较为流行的4G LTE模块，内置多种网络协议。

2.4 远程监视终端设计

远程监视终端主要利用现有的智能手机，利用登录浏览器查看告警网关运行状况的方法获取告警信息和历史记录。

3 结语

本文设计了一套基于物联网的变电站端子箱小动物驱离方案，搭建了集探测、驱离、告警、监视功能于一体的物联网告警驱离系统，运用4 路超声波传感器探测小动物在箱体内的活动，通过声光气多手段综合驱离，并及时上送包含具体位置和时间的告警信号。在通信方面，搭建了现场驱离装置、物联网告警网关、远程监视终端三者相互配合的树状通信网络，利用低功耗、传输距离远的Zigbee 通信协议完成信号传输。该套方案能精准检测小动物活动，可以降低值班员巡检的人力成本，有效提升现场设备运行的稳定性。