基于无人机的变电站运行环境监测系统

魏新港 田立国 王岳松 黄晓川

摘 要针对当前变电站内的环境监测与报警问题，本项目提出一种基于无人机的变电站环境质量监测及设备保护系统，该系统可监测变电站及设备内的温湿度、噪音、烟雾等环境质量参数信息，并通过显示装置将数据显示出来，也可通过操作无人机在事故多发点和不易监测的位置进行巡视，再通过ZigBee无线技术将所得数据传输到监控室的PC机上进行实时监测、存储与分析，并通过数据上传网络云端，进行远程监控。若系统发现有异常的参数，则及时发出警报，监控人员则会立即采取措施，针对突发情况，迅速找到原因，排除险情，防止变电站系统内的设备及供电线路损坏；本系统的应用为变电站的监测与维护具有重大意义。

【关键词】变电站 环境监测 预防报警 Zigbee 无人机

1 引言

居民区变电站作为电网为居民供电的基礎环节，其可靠性直接关系到国计民生和社会安全稳定。随着国家对智能电网的大力建设，如何保证众多位置分散的变电站处于正常运行状态，提高其运行的可靠性和自动化程度，是建设坚强配智能电网需要深入研究的重要课题之一。

针对上述问题，本文提出并设计了一种基于无人机的变电站运行环境监测系统，通过传感器技术实现环境数据采集，通过无人机技术实现实时视频回传，通过无线网络传输技术将采集到的数据传输给数据收集主节点，实现数据的整合、显示以及预防报警，从而为变电站的正常运行提供保障。系统原理框图如图1所示。

基于无人机的变电站环境监测系统整体包括三大部分：

数据采集从节点部分、数据收集主节点部分、无人机部分。

（1）为了提高检测的可靠性和装置的可靠性，数据采集从节点部分的传感器拟采用温湿度传感器、烟雾传感器、噪声传感器以及TN901红外测温传感器

（2）数据收集主节点部分主要用于对各个从节点以及无人机部分的数据收集，进而进行数据整合、显示以及云端上传和预防报警。

（3）无人机部分主要用于对一些危险的、不易监测到的地区进行监测，以及在一些恶劣天气情况下使用。可以起到一个降低人工巡查危险性、监测不易监测位置的作用。

2 系统硬件设计

本系统的硬件设计包括数据采集从节点、数据收集主节点以及无人机三部分：数据采集从节点通过自身携带的传感器对变电站内的环境数据进行采集，然后通过ZigBee无线网络发送出去；无人机则通过摄像头将采集到的实时视频画面进行回传。数据收集主节点用于将所有数据进行整合、显示，以及利用声光和语音实现报警，其系统硬件设计原理图如图2所示。

2.1 控制模块

本系统的数据采集从节点和数据收集主节点的核心控制模块均采用ARM处理器STM32F103C8T6，该处理器内设多个I/O端口、多种通信方式，具有高性能、低成本、低功耗的特点。

2.2 环境检测模块

环境监测模块主要包括温湿度传感器、烟雾传感器、噪声传感器以及TN901红外测温传感器。

（1）DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有体积小、功耗低、精度高、抗干扰性强、品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

（2）烟感传感器的通过对空气中烟雾对离子的吸附能力来采集信号的。在信号产生后，要对其进行滤波处理后才能进行采集，采用二阶滤波电路对信号进行优化，最后输入至处理器中进行模数转换得到可以利用的数字信号。

（3）噪音传感器可以检测周围环境的声音强度，灵敏度可调，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。工作电压3.3V-5V，设有固定螺栓孔，方便安装，对声音感应强，测量准确。

（4）TN901红外温度计模块采用温度补偿技术可以准确的测量出环境温度。可以承受10℃的热冲击。擅长在宽范围温度变化环境中保持精度。校准的数据和产品的序列号保存在模块上EEPROM内。

2.3 ZigBee无线通信模块

为了实现采集到的数据的远距离通信传输，系统采用ZigBee无线模块构成无线通信网络，用于环境数据的传输与接收。系统部署多个无线通信模块，实现了远距离的通信，具有通信稳定、成本低、功耗低等优势。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要实现整个系统的信息采集、传输、显示和报警功能，通过各个从节点对环境信息的采集，再采用ZigBee无线通信网络实现信息的传输，以及无人机的视频采集回传。最后由主节点实现信息整合、显示及报警功能，整个系统软件功能流程如图3所示。

3.1 PC机

系统的PC机采用Labview编写，生成exe文件以供使用。PC机可以实现数据的收集、显示、储存、读取以及数据下发等功能，PC端监控中心如图4所示。

（1）数据的收集主要是对发送到主机上的各段数据进行判断，判断是否为正确数据以及数据的来源，进而进行数据的处理、分类。

（2）数据的显示主要是对接收到的数据在分类后通过显示控件进行显示。会显示不同节点的温度、湿度、烟雾值以及噪声值。

（3）数据的存储是将已接收到的数据进行存储、记录，方便以后查看。存储后，数据会被保存到指定的EXCELL表格中。

（4）数据的读取是读取接收过的存储在电脑上的数据。读取相应的EXCELL表格，数据会通过表格以及图表的形式显示出来，以供查看。

（5）数据的下发是指通过PC机向从节点发出数据指令，排风扇的开关、灯光的开关都可以通过PC机上的按钮进行控制。

3.2 云端

云端的使用同样是对接收到的数据进行显示、储存、读取和指令的下发。不过云端可以使监管人员随时随地对数据进行的实时查看，对变电站进行远距离监控和操作，同时也方便了数据的存储和存储空间的节约。

3.3 无人机监控

无人机采集到的图像经回传后可以通过手机和电脑进行查看，方便监管人员对无人机的操控以及对危险环 境的数据采集和监控。

4 结束语

本文提出一种基于无人机的变电站环境监测系统，综合运用嵌入式、无线传感器网络、无人机等技术实现变电站内的环境和设施的监测、保护。

本系统的设计结构合理，充分利用ZigBee无线通信技术实现变电站内环境监测和预防报警的应用需求，拓展能力好，可以有效的节约能源，具有实际推广和应用价值，拥有极大的市场前景。

参考文献

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作者单位

天津职业技术师范大学 天津市 300222