携有时间标签的物联网构架下高压远距离输电线路在线监测系统

陈孟元，陈跃东

携有时间标签的物联网构架下高压远距离输电线路在线监测系统

*陈孟元1,2，陈跃东1

（1.安徽工程大学，安徽，芜湖 241000；2.安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽，芜湖 241000）

高压远距离输电线路在线监测系统对保障输电线路的安全运行具有重要意义。根据高压输电线路分布范围广泛和监测时间久的特点，提出了带有时间/地理标签的无线传感器网络在高压远距离输电线路中的远程实时监测。子网采用ZigBee无线通信技术组网，负责高压输电线监测参数的采集；骨干网采用GPRS技术实现无线传感器网络与Internet的无缝连接。同时通过B/S体系结构，用户端在登录监测系统后能实时浏览和分析无线传感器网络采集到的高压输电线监测参数。

无线传感器网络，ZigBee，GPRS，S3C2410，北斗卫星，Ｗeb服务器

2000 年卢强院士曾提出数字电力系统（Digital Power Systems，DPS）的概念，它是指某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象化地、实时地描述与再现[1]。最近一段时间，随着中国经济社会发展，电网规模不断扩大，运行水平大幅提高，建设“坚强的智能电网”成为中国电网建设的既定战略。国家发改委称，2009年至2020年，中国将投资4万亿元用于智能电网建设。

在计算机领域，存在着“十五年周期定律”。在1965年、1980年和1995年前后分别以大型机的出现、个人计算机的普及和互联网的革命为标志引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大变化和动荡。目前，物联网收到了各界的热烈追捧，被认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。该战略能否掀起如当年重要技术变革一样的科技和经济浪潮为世界关注。

标准时间与时间同步对于我国电力系统的安全稳定运行具有重要地位，电力系统中的时间标签是由全球定位系统（GPS）提供的，GPS授时存在手段单一和没有自主控制权两方面问题，不仅短期稳定性差，而且安全性不强。研究我国拥有自主控制权的授时方式（北斗卫星导航系统授时），并在信号失效情况下，能与GPS互备授时保证时间标签的准确。

1 基于物联网技术的电力设备监测

现有的电力设备状态监测系统，一般采用RS485/CAN总线方式通讯，将监测数据经过局域有线网实时传至监控中心。由于采用有线的通讯方式，它的数据传输依靠导体介质，需要铺设电缆，由此带来布线复杂、预设接口破坏建筑、线路检测检修困难、线路扩容困难等一系列和传输途径有关的弊端，这些问题突出表现为传感器可移动性差且日后的维护保养十分不便。近些年来，随着移动通信技术飞速发展，为建立通畅、可靠的无线网络提供了可能，越来越多的传感网的信息采集和传输采用了无线通信技术。无线传感网（wireless sensor network, WSN）可以有效降低有线方式采集、传输信号的弊端，精确获取信息。

基于传感网及无限通信技术的监测系统可以有效解决通信方式的弊端，其可以划分为感知层、接入层、网络层和应用层，其监测方案如图1所示。感知层是将无线传感网应用于高压远距离输电线路状态监测，针对单个设备状态监测建立基于ZigBee无线通信技术的传感器联接，收集各监测信息；接入层是通过GPRS技术将采集到的设备状态量监测数据信息通过网关，以无线传输的方式接入网络；网络层通过Internet网络将数据远程传输至远方的监控中心；应用层则是有权限的用户通过任意一种Web浏览器查看收集到的设备监测数据，进行故障诊断等高级应用分析，并可通过短消息等方式将异常情况通知相关负责人和检修班组[2]。

图1 携有时间标签的物联网构架下高压远距离输电线路在线监测方案

2 基于ARM9的网关及传感器节点硬件设计

目标监测区域中部署的传感器网络主要由传感器节点（Reduced Function Device，RFD）和协调节点（Full Function Device，FFD）和网关节点构成。监测区域中的各传感器节点组成星形拓扑结构的无线传感器网络，星形网络是一个辐射状的结构，如图2所示。

所有的传感器节点只通过协调节点和网关节点进行通信，将测得的信息通过多跳的方式传送到协调节点，传感器节点不是通信的起点就是通信的终点。协调节点负责无线传感器网络内部的管理与控制，如果某个传感器节点要和另外一个传感器节点进行通信，那么就需要协调节点，将数据先发送到协调节点，然后再由将数据发送到目的传感器节点。网关节点拥有较强的通信能力、计算能力和丰富资源的系统，它实现通信协议之间的相互转换，完成无线传感器网络与Internet网络的无缝连接。

图2 无线传感器网络拓扑结构

2.1 传感器节点和协调节点硬件设计

传感器节点电路主要由微处理器、ZigBee RFD和传感器组成。传感器节点硬件框架如图3所示。

图3 传感器节点硬件框架

目前，高压远距离输电线路监测较长使用的传感器有：震动传感器、应力传感器、倾角传感器、弧垂传感器、温度传感器、张力传感器、加速度传感器、雷电监测装置和覆冰监测设备等等。通过在杆塔、输电线等重要设备上部署各种监测装置，应用ZigBee无线通信技术组成多监测装置协同感知的无线传感网，为在线监测提供实时参考数据。

微处理器采用宏晶科技生产的高性能1T周期单片机STC11F16。

传感器节点RFD和协调节点FFD使用的是Chipcon公司的CC2420芯片，性能稳定且功耗极低，芯片采用直序扩频技术，可确保短距离通信的有效性和可靠性。CC2420使用Microchip公司提供ZigBee协议栈，工作在免费2.4G频带，数据速率高达125Kbps，CC2420芯片支持128Byte的数据发送和接收缓存。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分[3]。

传感器节点检测的数据经由RFD节点转化为ZigBee通信协议包，传给就近的协调器节点FFD，FFD节点根据从节点驱动路由算法选择最优的通信路径，通过其他FFD节点以多跳通信的方式把数据包传到网关节点。网关节点收到数据包后，一方面按原路径返回收到确认信息，以至到达发送数据的 RFD节点，实现握手通信，完成一次完整的ZigBee无线通信。否则RFD节点继续发送数据，直到收到协调器返回的握手信息。

2.2 网关节点硬件设计

网关硬件电路主要包括嵌入式微处理器（S3C2410A）、存储器模块（FLASH和SDRAM）、GPRS无线通信模块、电源控制模块以及其它外围电路，其硬件框架如图4所示。

图4 网关节点硬件框架

2.2.1 嵌入式微处理器

网关节点微处理器采用三星公司生产的16/32位RISC处理器S3C2410A，该芯片采用了ARM920T内核，具有低功耗、高性能和全静态设计等特点，并且集成了丰富的系统外围设备，如独立的16KB的指令Cache和16KB数据Cache、MMU虚拟存储器管理、3通道UART和4通道DMA等，降低了系统设计的成本。内核的工作电压为1.8V/2.0V，存储器和I/O口的工作电压为3.3 V，工作频率最高可达266MHz。

2.2.2 GPRS无线模块

GPRS无线模块的主要作用是通过GPRS网络和Internet网络通信实现ARM终端和客户端之间的数据传输，本系统选用市场上常用的一款用于工业级的GPRS无线模块MC35[4]，它是由德国西门子公司生产的一款GPRS无线模块，MC35可实现语音和数据传输、短信、传真等功能，支持AT命令和TCP/IP协议，工作在EGSM900和GSM1800双频段模式，电源范围为直流3.3～4.8 V，典型电压为4.2 V，功耗在EGSM900和GSM1800分别为2 W和1 W，支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四种编码协议，最大上行和下行数据传输速率分别为21.4 Kbps和85.6 Kbps。

MC35模块主要由GSM基带处理器、射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口等六部分组成，其核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。该模块有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)连接器引出与外部连接，这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制，其中16～23引脚为数据输入/输出接口，实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准，通过芯片MAX232电平转换后与S3C2410A相连，用AT命令可双向传输指令和数据；24～29引脚为SIM卡接口，必须要外接一个SIM卡座，系统上电后会自动对SIM卡进行操作。

2.2.3 定位授时模块

定位授时模块采用的是七星创宇公司生产的7X-WYBD无源北斗定位授时模块，如图5所示。北斗定位授时模块通过射频接口（SMB-J）与北斗天线连接并从“北斗一号”卫星定位系统上获取精确的地理、时间信息[5]。

图5 7X-WYBD无源北斗定位授时模块

3 软件平台设计

软件在操作系统平台下采用函数模块化设计，监测系统是把无线传感器网络采集到的数据通过GPRS模块连接到Internet，再传输至客户端。软件平台流程如图6所示。数据传输过程遵守TCP/IP协议簇，具体通信协议模型如图7所示。

图6 软件平台流程图

图7 系统通信协议模型

3.1 GPRS通信的实现

GPRS通信的主要功能为实现PPP拨号和数据传输。终端首先向GPRS网络进行PPP拨号，建立PPP通信链路并附着在GPRS网络上，然后再主动向客户端发送TCP/IP通信请求，在接收到回复后建立TCP/IP通信连接，这样才能实现数据的双向传输，通信流程图如图8所示。

图8 GPRS无线数据传输流程图

3.1.1 PPP拨号

终端进行PPP拨号的过程就是获得GPRS网络动态分配IP地址的过程，具体过程为：

（1）系统通过串口向MC35发送AT指令设定好的初始配置参数（包括通信波特率、GPRS接入网关）；

（2）再发送ATD*99***1#指令准备与GPRS网络ISP进行PPP协商；

（3）最后通过PPP协议发送相应的协议包进行PPP协商，在协商过程中一般用到的协议为LCP（链路控制协议）、PAP（密码验证协议）、IPCP（IP控制协议）。

（4）协商成功后，就获得由移动ISP动态分配的内部IP地址 (一般是10.X.X.X)并附着GPRS网络。

3.1.2 无线数据传输

当终端PPP拨号成功接入到Internet后，终端就要主动向客户端发起通信连接，在传输层建立起TCP/IP通信通道，可以进行无线数据的双向透明传输。

由于终端是处于GPRS内网中，每次拨号所获得的IP地址不是固定不变的，所以只能由终端主动连接客户端，而不能由客户端主动连接终端，这个过程是不可逆的。这就要求客户端必须具备固定的公网IP地址或固定的域名，且客户端固定的公网IP地址或固定的域名作为参数存储在终端FLASH中，以便终端一旦上电拨号成功，就可以主动连接到客户端。

本系统采用面向可靠性数据传输特点的TCP传输协议作为传输层通信协议，所以终端通过客户端的IP地址以及端口号等参数，向客户端发起TCP通信请求，在得到客户端响应后，终端即认为与客户端握手成功，然后就一直保持这个通信连接存在，如果通信连接中断，终端将立即重新与客户端握手。TCP通信通道建立起后就可以进行无线数据收发操作了，发送即是把应用层数据封装成TCP数据段，经IP协议封装成数据报，然后再经PPP协议封装成数据帧格式，经串口发送给MC35，通过GPRS空中接口传送到处于Internet网中的客户端，接收与发送是相反的过程，即是数据帧的解封过程。

3.2 嵌入式Web服务器

嵌入式Web服务器是监测系统的重点部分，它采用B/S结构模式设计，在客户端通过Web浏览器就可以访问服务器。嵌入式Web服务器软件构成如图9所示。

图9 嵌入式Web服务器软件构成

3.2.1 BOA服务器的移植

BOA 服务器是一个小巧高效的Web服务器，是一个运行于Unix或Linux下，支持CGI、适合于嵌入式系统的单任务的Web服务器，源代码开放、性能高。以下是在Linux环境下搭建一个BOA服务器并移植到开发板上运行的步骤[6-7]：

第一步：编译BOA服务器

（1）下载并解压BOA源码，目前最新版本为：boa-0.94.14rc21.tar.gz

# tar xzf boa-0.94.14rc21.tar.gz

（2）进入源码目录中src子目录并生成Makefile文件：

# cd boa-0.94.14rc21/src

# ./configure

（3）修改Makefile文件：

把其中的CC改为：CC = arm-linux-gcc

CPP -E改为：CPP = arm-linux-g++

（4）编译并删除调试信息：

# make

# arm-linux-strip boa

这样就可生成可执行文件boa，并把它复制到开发板/usr/local/bin/目录中。

第二步：修改BOA配置

从boa-0.94.14rc21源码根目录中找到boa.conf配置文件，打开并修改以下项目参数：

User nobody改为：User 0；

Group nogroup 改为：Group 0；

ScriptAlias /cgi-bin/ /usr/lib/cgi-bin/ 改为：ScriptAlias /cgi-bin/ /var/www/cgi-bin/；

#ServerName www.your.org.here改为：ServerName IP地址；

#AddType application/x-httpd-cgi cgi前面的#去掉使系统可以支持cgi方式；

修改完成后复制到开发板/etc/boa/目录中。

第三步：配置开发板，并建立相应的文件夹

根据修改后的boa配置文件boa.conf中所规定的，在开发板中需建立以下文件夹：

创建日志文件存放目录/var/log/boa/error_log和/var/log/boa/access_log；

创建html文件存放目录/var/www；

创建cgi脚本存放目录/var/www/cgi-bin；

复制主机上的mime.types文件到目录/etc/boa/中。

将编译好生成的cgi文件、html文件存放到开发板相应的文件夹中，在开发板中运行BOA服务器，在客户端IE浏览器上输入对应的URL就可以看到网页。

3.2.2 CGI应用程序实现动态页面

CGI(Common Gateway Interface公共网关接口)规范给出了Web服务器和CGI应用程序进程之间传递信息的标准，是嵌入式Web服务器中实现客户与服务器动态交互的主要手段[8]。

它是运行在Web服务器上的一个程序，并由来自于客户端的请求触发。CGI是在Web服务器下运行外部程序（或网关）的一个接口，提供标准输入（STIN）、环境变量、标准输出（STOUT）三部分标准接口和服务器通信，传递有关参数和处理结果，一般完成Web网页中表单(Form)数据的处理、数据库查询和实现与传统应用系统的集成等工作。CGI工作流程如图10所示。

图10 CGI工作流程图

当客户端用POST方法向服务器请求时，服务器通过标准输入（STIN）向CGI程序传送数据，或者用GET方法请求时，CGI程序通过QUERY_STRING环境变量获得数据，CGI程序对获得数据信息进行处理或者调用外部其它程序，然后处理成纯文本格式或HTML格式文档通过标准输出（STOUT）传给服务器，服务器再传送给客户端，这样就完成了客户所提交的数据请求，实现客户与服务器动态交互。

4 结语

无线传感器网络应用于高压远距离输电线路具有优势, 然而又面临诸多困难，如网络稳定性和抗干扰性能、低功耗、节点供电等是其中的关键问题。本文主要介绍了带有时间/地理标签的无线传感器网络在高压远距离输电线路状态监测中实现的基本原理，硬件各模块的设计方案、软件开发的主要流程, 并详细讨论了实施中遇到的主要问题。利用无线传感器网络分布式的特点，大幅度改善了系统可移动性和组网灵活性；利用GPRS模块、ZigBee模块和嵌入式Web服务器设计的网关实现了全网无缝连接，同时克服了传统网关构架下ZigBee传输速率较低的瓶颈。使得用户通过Web浏览器实现对高压输电线监测参数，考虑到网络安全方面的原因，设置了访问权限[9]。在服务器的登录界面正确输入用户名和密码通过后即可查询具体某条高压远距离输电线路的运行情况，对保障输电线路的安全运行具有重要意义。

[1] 李勋,龚庆武,乔卉.物联网在电力系统的应用展望[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):232-236.

[2] 郭创新,高振兴,张金江,等. 基于物联网技术的输变电设备状态监测与检修资产管理[J]. 电力科学与技术学报,2010,25(4)：36-41.

[3] 陈孟元,凌有铸. 基于ZigBee通信技术的烟叶醇化库分布式温湿度检测系统设计[J].安徽工程大学学报，2011,26(3):42-46.

[4] 俞昌忠,陈跃东.基于B/S结构的GPRS无线数据传输系统的设计[J] .安徽工程大学学报,2011,26(4):38-43.

[5] 陈孟元,陈跃东. 基于高精度晶振同步北斗1pps的同步相量测量装置时钟源研究[J] .电力自动化设备，2011，31(9):58-63.

[6] 李勇. CGI在嵌入式WEB 服务器中的应用和实现[J]. 微计算机信息,2008,24(10-3):110-111,184.

[7] 李海芳,潘志,何海鹏. 基于S3C2410 的家庭网关Web 服务器的研究与实现[J]. 电脑开发与应用，2010,23(1)：18-20,38.

[8] 罗淳榕,秦现生,马新刚. 基于CGI的嵌入式远程控制系统[J].测控技术,2006,25(8):50-52.

[9] 赵增华,石高涛,韩双立,等. 基于无线传感器网络的高压输电线路在线监测系统[J]. 电力系统自动化，2009，33(19):80-84.

ONLINE MONITORING SYSTEM OF POWER TRANSMISSION LINE IN LONG DISTANCE AND HIGH-VOLTAGE BASED ON INTERNET OF THINGS STRUCTURE WITH TIME-TAG

*CHEN Meng-yuan1,2，CHEN Yao-dong1

(1.Anhui Polytechnic University，Wuhu, Anhui 241000, China; 2.Anhui Key Laboratory of Electric Drive and Control，Wuhu, Anhui 241000, China)

Online monitoring system of power transmission line in long distance and high-voltage is significant to ensuring the safe operation of power transmission line. According to the power transmission line in long distance and high-voltage has wide-ranging and long monitoring time, we proposed the wireless sensor network with time/geographical label to monitor the power transmission line in long distance and high-voltage by real-time and remote. The sub network adopts grouped network of ZigBee wireless communication technology, which is responsible for collecting the monitoring parameters. Backbone network adopts the seamless link with internet and wireless sensor network of GPRS technology. Meanwhile, client could log in the monitoring system through the architecture of B/S, browse in real-time and analyze the monitoring parameters of power transmission line in high-voltage that collected by the wireless sensor network.

wireless sensor network; ZigBee; GPRS; S3C6410; COMPASS; web server

TG249.7; TM921.51

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.01.014

1674-8085(2013)01-0063-07

2012-06-12；

2012-07-28

安徽省自然科学基金项目(11040606M153);安徽高校省级自然科学研究项目(KJ2012B009);芜湖市科技计划基金项目(芜科计[2011]47号文)

*陈孟元(1984-)，男，安徽芜湖人，助教，硕士，主要从事自动检测与控制系统研究(E-mail: mychen @ahpu.edu.cn);

陈跃东(1956-)，男，湖北宜昌人，教授，硕士生导师，主要从事自动检测与控制系统研究(E-mail: ydcen1@sohu.com).