无人值守电力机房环境监控系统设计

王静+周静

摘要：针对目前对电力机房环境监控系统的需求与运行特点，设计了一基于ZigBee技术的电力机房运行情况环境监控系统。在系统中，包括协调中心节点和终端节点两种，并且采用德州仪器公司的低功耗芯片CC2530作其通信模块。基于此，着重阐述了节点的硬件构成和软件程序流程。实验结果表明该系统完全能够满足电力机房监控的需要，监测到异常可及时进行预警。

关键词：Zigbee；无线传感网络；机房监控；环境检测

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.05.094

1引言

物联网技术为环境监控系统带来了新设计思路。随着无人值守变电站的广泛使用，现有的电力机房运行状态的数据采集传输问题亟待解决。之前普遍应用的有线数据采集方式因為受到的地形和复杂环境因素带来的影响多，布线复杂、维护困难、使用成本很高，已不再适应当前的生产需要。

ZigBee技术作为新型无线通讯技术中的一种，因其具有功耗低，低成本、时延短、网络的容量大、安全、可靠等优点，被广泛应用于短距离内的低速率数据传输。本文将ZigBee技术应用于电力机房，并结合各种传感器，可以有效的解决过去的检测方式存在的问题，可以实现快速、方便地检测电力机房的各项环境参数。

2关键技术简介

2.1ZigBee

ZigBee是一种崭新的近程无线网络通信技术，其在嵌入式设备中的使用是当前物联网技术研究的新热点之一。ZigBee技术的主要特点是其支持自组网能力强，且自恢复能力强；它采用蜂巢结构组网，每个设备不仅能通过多个方向与网关通信，保障网络的稳定性；另外每个设备还拥有信号中继功能，可将无线信号传输到1000米以外。ZigBee的网络拓扑结构有三种：星型结构拓扑、网状结构拓扑、簇状结构拓扑，拓扑结构如图1所示。

2.2传感器技术

传感器是当代息技术支柱产业之一.随着现代科学发展，传感技术作为一种与现代科学密切相关的作为新兴学科也得到了迅速的发展，并且在工业自动化测量、航天技术、医学等多个学科被广泛地利用，对各学科的发展也有促进作用。传感器是实现测试与自动控制的重要环节，由感知电路和信号处理电路组成。电力机房环境检测通常需要使用烟雾传感器、温湿度传感器。

烟雾传感器：电力机房中有很多电器元件，由于元件老化或者设备运行的问题，机房内常有火灾隐患。火灾的初期，燃烧物质多处于暗燃状态，会产生大量的烟，所以在电力机房中安装烟雾传感器可以起到预报警的作用。本系统选用21R088光电烟雾传感器。

温湿度传感器：为了实现对机房中温控设备进行实时的控制，本系统配备了一种全新智能温湿度传感器（SHT11），这样可以实时在线的采集电力机房内的温度和湿度数据，该传感器因其具有良好的实时性、高精的测量精度、强大的抗干扰能力等特点，广泛用于各种温度监控及温度测控系统中。

3系统总体设计

系统的整体结构如图2所示，主要包括：终端环境感知节点、协调器节点以及信息综合处理层等部分。

系统网络采用星型结构，由一个协调器和若干个终端路由节点来组成，这里协调器节点是整个网络的中枢，它负责组织无线网络的建立并在组网完成后监控网络的运行。终端传感器节点则是各类带有ZigBee芯片的传感器。

协调器与上位机由USB串口相连，路由器在数据上行侧与服务器相连，完成无线传感网和互联网间的网关功能。服务器用来存放电力机房的环境数据，然后将数据通过Web站点发布出去。总台的远程用户可以由远程终端访问Web站点监测控制机房特定设备。

4硬件设计介绍

系统硬件结构的配置是系统功能得以实现的关键所在，而对于本无线传感网来说，所关注的重点是各类传感器的选择和无线传输设备的设计。本系统的硬件主要包括终端传感器节点模块、协调器节点模块两大部分。

4.1终端节点模块的硬件设计

终端节点是本系统的底层设备，以德州仪器公司的CC2530芯片为核心，是带有各类传感功能的网络子点。图3为终端节点的硬件组成图。CC2530是一个真正用于802.15.4的ZigBee片上系统解决方案，它可以以降低的成本来组建强大的网络节点。CC2530可以实现的功能共有3部分：（1）通过A/D转换器进行各种数据采集；（2）由无线RF模块完成所得数据的收发；（3）控制开关继电器做出动作。终端节点模块主要由电源、外接模块、开关继电器、RF收发器和显示器等部分组成。

（1）RF收发器，该收发器的外围电路为特性阻抗匹配网络，所用天线为负极性天线；两者的对应接口情况为：Pin25与RF_N链接，Pin26与RF_P联结。

（2）开关继电器，应用CC2530芯片发出的驱动的信号控制开关继电器中的电磁线圈的开与闭，实现对智能服务设备电源电路的闭合开路控制。

（3）LED显示，该模块负责系统的组网状态的显示以及个基点自身测量数据的显示。

（4）电源部分，在电源模块中，采取锂电池供电模式。使用正稳压器集成DC-DC变换器LM317为系统提供2.4V的输出电压，向系统供电。

（5）传感器模块外接模块设计相应的驱动电路及信号处理电路。

4.2协调器节点模块硬件设计

协调器节点模块是ZigBee网络的核心部分，负责网络的组建和控制指令的传输和数据接收、发送，然后在PC机和服务器完成数据发布。为了实现良好的人机交互和实时显示，系统中设计了小键盘及液晶显示器，如图4所示。

（1）串口通信模块，该模块选用常用的8251A芯片，它是一种可进行编程的通用同步/异步接收发送器，常作为串行通信接口，使用起来非常方便灵活。

（2）显示器部分，显示器主要负责显示网络节点的实时工作状台，这里选用LCD12864液晶显示器，采用SPI总线数据传输传输形式。

（3）按键模块，按键模块为4×3矩阵键盘，主要是数字键0到9以及删除和发送等命令。

5软件设计介绍

系统通信频段选用公共频率2.4GHz，此时数据的传输速率为250kbit/s。采用IEEE802.15.4协议中的载波检测多路访问碰撞避免机制来避免通信冲突，在节点之间进行通信的过程中，任何设备需要发送信息，都必须先发出一个空闲信道评估（CCA）指令来确定该信道是否空闲，当确定信道未被占用之后才进行信息发送。

5.1协调器软件设计

本系统的无线传感器网络为基于ZigBee协议的网络，在网络中协调器主要负责同意节点入网、组建无线网络、收发实时数据信息等。协调器是整个无线传感器自组网络的核心部分，由它来选取该网络的NAI（网络标识符），并检测其他要求入网的节点的标识，对符合要求的入网节点進行绑定；接收由终端节点发送回来的测量值，然后对这些测量数据进行初步的处理；再通过串口把数据传送到上位机端进行分析和后续处理。所以，这里的协调器需要实时的处于激活的工作模式，不间断的进行数据的收发。协调器的具体工作流程如图5所示。

5.2终端节点软件设计

终端节点会不断发出加入网络的请求，直到得到协调器返回允许入网的回应，并自动的加入到网络中；若是没能找到协调器，终端传感器节点则会进行周期性的搜寻，直到得到协调器的回应。终端节点加入到由协调器组件的网络之后，它就会和协调器一样，具有数据收发功能，终端节点主要负责利用传感器去采集周围的环境数据，并接受协调器的控制指令对执行器做出操作。

出于对终端传感器节点在减少电能损耗方面的考虑，我们的各类节点都尽量选用了低功耗的芯片和信号发射器，但是即便如此终端节点的能耗相对于他自身的电池容量还是很巨大的；基于此，在系统中为传感器节点设置了数据采集和休眠两中运行模式。无线网络组网成功之后，上位机的应用程序会收到回复，工作人员在上位机对终端节点发出指令，设置休眠时间和采集频率H，之后终端节点自动开启休眠模式，直到休眠结束，降低终端节点的耗电量。周期数据采集期间，终端节点安着设置的采集频率和采集时间间隔对周围环境数据进行采集和上传，完成一个周期的书籍采集任务后，节点又会自动回到休眠状态。

对于需要完成一定控制任务的节点，则会循环接收协调器广播发出的命令信息，当接收到指令并经过识别是发给自己的指令，然后终端节点开始操作执行器，完成指令操作。终端节点工作流程如图6所示。

6实验结果

在某电力机房内布置若干传感器节点，分别对机房内的温度、火焰、烟雾进行监控，网络协调器和上位机放置在机房的控制中心。对机房内进行环境数据传输测试时，从中选取出4组环境数据，表1所示是实验的测试结果。

从实验中所得到的数据，经过分析可以得出终端传感器节点与协调器节点的最大距离不应超过10米，因为室内的设备比较多，这对无线网络节点之间的信号传输有很大的影响；而反观终端节点同协调节点在10米以内的时候，两者相距越近时，数据的传输就会越快速准确。

经过测试，系统中所用到的温度传感器的测量精度很高，其平均测量误差在百分之1.3左右，是在可控范围之内的。

另外在进行烟雾浓度和火焰的测试时，传感器所采集的数据发送到上位机，当上位机检测到量值超出了设定范围，就会把发生变化的位置变为红色在上位机屏幕上显示，同时给控制中心管理员的手机发报警。

7总结

针对目前电力行业对电力机房安全和智能化的需求，本文利用物联网技术，构建了一种电力机房环境监控系统。实验证明，该系统具有低能耗、低成本、可靠性高、抗干扰能力强等优点，上位机人机交互界面极具人性化，具有很好的通用性，非常适合在无人值守电力机房中推广使用。

参考文献

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