基于WiFi技术的吊车升降车临近电位作业距离测量通信系统设计与实现

邓科，侯晓松，王芹，洪叶，肖粲然，黄雄峰

(1.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050； 2.三峡大学，湖北 宜昌 443002)

基于WiFi技术的吊车升降车临近电位作业距离测量通信系统设计与实现

邓科1，侯晓松1，王芹1，洪叶1，肖粲然2，黄雄峰2

(1.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050； 2.三峡大学，湖北 宜昌 443002)

电力领域临近电位施工工作过程中，吊车升降车与带电体需保持一定距离，一般通过作业距离测量系统保障。受限于布线等问题，本文针对此测距系统实时数据传输，设计了用于吊车升降车测距的通信系统。通过在测量端与接收端嵌入WiFi通信模块，以STM32单片机为核心设计了控制电路，实现了对吊车升降车与电力设施的实时距离测量。

距离测量；WiFi通信；STM32单片机；控制电路

1 引言

电力是国家经济的基础产业，持续、优质的电能服务是地方经济发展和居民正常生活的前提，带电检修成为电力行业不可或缺的方式。在开关站、变电站等检修过程中，检修人员或辅助设备过于接近高压带电设备，存在很高的风险，为保障人员及设备安全，精确测量检修人员及设备与带电设备的距离以保障用电安全，显得尤为重要。

吊车升降车作为常用的检修辅助设备，工作过程中吊臂需要进行升降、伸缩等靠近带电体的操作，受视线等因素影响，存在过于接近或者触碰带电体危险。在其上安装有线监测设备，因吊臂工况复杂，会有布线困难、线路容易损坏等问题。而无线测距方式[1]可以克服布线难等问题，同时可使测距装置布置更加灵活，满足多角度、大范围的测距要求[2]。

在无线测距系统中，无线通信技术主要有2.4GHz、433MHz和GPRS通信网络[3]。GPRS通信技术在处于偏远地区的变电站、开关站中通信信号质量较低不能提供稳定的数据传输通道。一般，近距离的无线通信多采用2.4GHz频段。而在2.4GHz通信技术中以WiFi[4-5]、ZigBee[6]等协议为主：WiFi通信技术较ZigBee通信技术通信更为稳定，且技术成熟，便于二次开发，在电力系统中应用广泛[7-8]。所以为保障稳定可靠的数据传输，本文利用WiFi通信模块并应用STM32单片机构建控制电路[9]来实现距离测量通信系统。

2 距离测量通信系统设计方案

WiFi是IEEE802.11b的别称，是由名为“无线以太网相容联盟”的组织所发布的业界术语。无线测距系统结构如图1所示，主要由两部分组成——前端距离测量装置与操作人员处的测距数据接收装置。

图1 距离测量通信系统结构图

距离测量端采用高精度的超声波传感探头采集距离数据，数据通过RS232串口在测距模块、WiFi模块和STM32控制模块之间传输，WiFi模块在收到测距信息后将数据转发。数据接收端由WiFi模块接收数据，液晶显示屏显示数据，RS232串口建立各模块间的数据传输，STM32控制模块完成相关数据处理。

3 通信系统装置的实现

3.1 WiFi通信网络构建

WiFi模块的组网应用设置通过与之连接的PC机完成，其设置界面如图2所示。

图2 WiFi模块设置界面

WiFi模块与PC机利用RS232串口互联，将两个终端WiFi模块分别设置为STA和AP模式，AP模式下WiFi模块作为WiFi网络“服务器”，STA模式下WiFi模块作为WiFi网络的“客户”端。

3.2 通信系统软件设计

利用STM32单片机设计终端模块、测距模块和WiFi模块的控制器，分为两个部分的控制。软件控制程序设计分为发射端和接收端设计开发。

发射端控制程序流程图如图3所示，包含三个主要过程：(1)控制模块串口初始化；(2)根据协议给超声波传感器串口发送0Xb1指令；(3)控制模块使串口进入等待状态，收到数据处理并转发。

图3 发射端控制程序流程图

发射端程序代码如图4所示，基于C语言源程序，建立相应的STM32工程模板完成程序的编写。

图4 发射端部分程序

接收端控制程序流程图如图5所示，主要分为4个过程：(1)控制模块串口初始化；(2)控制模块串口进入等待状态；(3)串口2接收数据，判断处理收到的数据；(4)数据转码并由LED显示屏显示数据。

4 无线测距系统的测试与分析

吊车升降车临近电位安全距离测量通信装置的两个终端分别如图6、图7所示。图6为无线测距装置主机箱，通过外置的报警灯和蜂鸣器实现低于接近允许距离的声光报警，液晶显示屏显示最接近带电体与吊车箱体及工作人员的距离数据，并可以根据实际工况需求进行安全距离设置。

图5 接收端软件流程图

图6 无线测距装置主机箱

图7为距离测量终端装置，采用高精度超声波探头测距，控制电路、电源及WiFi模块集成于装置内部，尾部将WiFi模块的天线引以提供稳定的信号。

图7 距离测量终端

在湖北省巴东县渔峡开关站检修期间进行现场测试。表1为两个终端之间的最远通信距离测试。测试人员将测距装置对准一个固定的物体不动，将主机箱移动远离测距装置时记录的相关数据。从表1中可以看出，当距离达到10m、30m、50m时显示器上有显示出当时测距装置所测数据为871mm，证明通信系统通信正常；而当距离达到60m、70m时显示器无法显示出测距装置所测数据，表示通信系统通信异常。测试表明，受环境影响，WiFi模块通信无法达到理论的100m。

表1 系统通信终端通信距离数据表

表2为针对开关站内不同粗细线缆进行目标物体可测性分析。测试人员将测距装置对不同粗细的线缆进行测量。在表2中，对缆心粗细分别为400mm2、800mm2进行距离测试，液晶显示屏显示对400mm2线缆的测量范围可测达到4m，对800mm2线缆的测量范围可达到可测到5m，均能达到渔峡500kV开关站中安全操作距离的要求。

表2 距离测量范围与线缆粗细关系表

5 总结

本文中设计的基于WiFi的通信系统在吊车升降车等邻近电位工作时具有良好的实时数据通信传输能力，满足了安全距离测量及报警等功能需求。本系统结构稳定,造价低廉,适应性强,适合广泛应用。

[1] H.M.Hashemian，Wireless Sensor Applications in Nuclear Power Plants[J].Nuclear Technology，vol173，2011，8-16.

[2] 安啸.非接触式测距技术在工业现场的应用研究[D].陕西：长安大学，2012.

[3] 韩伟.GPRS无线通信在电力系统监控中的应用[J].电网技术,2007,S2:276-279.

[4] 李先权.WiFi网络构建与应用研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[5] 孙志浩.基于WIFI网络通信远程控制下位机控制电路设计[D].内蒙古：内蒙古大学，2011.

[6] 朱节中.ZigBee在电力系统温度测量中的应用[J].微计算机信息，2009，25(4)：81-83.

[7] 段云飞,杨磊,李郓.基于无线自组网的电力系统通信关键技术研究[J].电力系统通信,2008,11:10-13.

[8] 张强,孙雨耕,杨挺,等.无线传感器网络在智能电网中的应用[J].中国电力,2010,6:31-36.

[9] 张旭,亓学广,李世光,等.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2010,11:90-93.

Design and Implementation of Wireless Adjoining Potential Distance Measuring System for Crane Based on WiFi

DENGKe1,HOUXiao-song1,WANGQin1,HONGYe1,XIAOCan-ran2,HUANGXiong-feng2

(1.State Grid Electric Power Company Maintenance Company,Wuhan 430050,China;2.Three Gorges University,Yichang 443002,China)

In electrical power construction,to keep a certain distance between crane and High-voltage equipment is very important.Normally construction personel use a distance measuring equipment to measure the distance.This paper focus on real-time data transmission,a wireless distance measuring system is introduced.Using WiFi communication model and STM32 microcontroller to design a control circuit,this wireless distance measuring system is implemented.

distance measuring;WiFi;STM32 microcontroller;control circuit

1004-289X(2016)06-0058-03

TMTP277

B

2015-11-06