基于ZigBee无线传输网络的GIS监测系统设计

高春丽，朱嘉林，张鹭莎，王 雪

(1.北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192；2.北京信息科技大学 信控中心，北京 100192)

0 引言

20世纪90年代后期，随着网络技术的发展，各类短距离无线通信技术也得到了较快发展，如WiFi、蓝牙及ZigBee技术等。WiFi技术具有传输速率高的特点，目前可达Gbps级以上，但成本高，功耗大[1]；蓝牙技术传输速率较慢，仅有1 Mbps，传输距离短，覆盖范围一般在10 m左右，其蓝牙协议属于专利，使用会增加成本[2]；ZigBee技术传输速率低，一般为250 kbps，但具有低功耗、低成本和自组网等优点[3]。而在GIS设备监测系统中，通常数据传输量小，250 kbps足够实现数据的传输，且监测系统通常要求网络可自组网、自维护，以及由于工期较长要求低功耗。相较于Wifi和蓝牙技术，ZigBee技术既具有成本优势又具有功能优势，非常适合用于对GIS的闪络监测中。

在利用超声探测法对GIS进行闪络检测时，测试人员要想得知GIS设备的故障所在，布线通常较为复杂，这会耗费大量人力和物力，且一旦出错，很难排解问题所在。使用ZigBee短距离无线通信技术可改善超声传感器采集数据后的传输难题，节省布线、安装等的时间，能够对GIS闪络故障快速定位。因此，本文设计了基于ZigBee无线传输网络的GIS监测系统。

1 系统硬件介绍

系统总体结构如图1所示。此监测系统是由单片机为核心的下位机和LabVIEW上位机构成。

图1 系统总体结构

对传感器捕捉到的信号通过预处理、模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)，才能由单片机处理，最终传输至无线传输网络中，经上位机获取和控制，进而实现系统的监测。

1.1 前端信号处理

超声波传感器将在闪络故障时捕捉GIS设备所产生的超声信号，并将其转变为微弱的电信号。在信号预处理阶段，对小信号进行放大和滤波，使得阻抗匹配以及避免通道上ADC的负载效应，保证ADC能够获取所采集的信号。

闪络信号频带分布集中在20～80 kHz之间，表现为高频脉冲形式，是一种瞬态信号。经传感器获取及模拟信号预处理，得到仿真信号如图2所示。GIS闪络故障产生的声波信号类似于震荡信号。

图2 仿真信号

1.2 ZigBee 接口电路

1.2.1 ZigBee树形拓扑结构

ZigBee技术作为无线传感网的主导技术，进行信息的路由传输和收发。其规范定义了3种类型的设备：协调器、路由器和终端[4]。在树形拓扑结构中，协调器连接一系列的路由器和终端,它的子节点的路由器也可以连接一系列的路由器和终端。这样可以重复多个层级，易于扩展和隔离故障；因此，选择ZigBee树形拓扑结构。拓扑结构如图3所示。

1.2.2 无线数据传输模块

由于通常对GIS进行监测的系统是在工厂，环境条件差，布线麻烦、耗时且易出错，而CC2530是一款通用性极强的ZigBee智能无线收发芯片，应用范围广、功耗低、可靠性高、扩展性强、易于开发[5]；因此，本方案选用CC2530建立无线通信。

无线数据传输模块采用串口通信的方式进行数据传输。为了对ZigBee模块进行实时在线的调试功能，设计了ZigBee调试接口电路，方便调试和纠错。调试电路如图4所示。

图4 ZigBee调试接口电路

1.3 PC监测端设计

PC监测端采用LabVIEW软件界面化编程，它能使传统仪器由硬件实现的分析处理和显示功能，改由功能强大的PC机和显示器来完成。仪器功能完全由软件编程实现[6]。本系统利用此界面显示GIS闪络放电监测系统所采集到的数据，并将接收到的数据进行分析、处理，得到符合条件的数值，同时提供相应的功能按钮。

2 系统软件设计

ZigBee协议栈在2007Pro版本中对于网络地址的分配采用随机地址分配方式[7]。当新的节点想要加入到网络当中时，协调器节点就会为之随机分配一个地址，然后通过广播的形式确认是否与其它节点有地址冲突，若产生冲突，该节点将修改自己的网络地址重新加入网络，直到不再有冲突发生；同时，当加入网络成功，对节点的数据值进行检测，通过该数据控制报警信号。其程序流程如图5所示。

图5 程序流程

无线传输程序实现了监测节点之间的相互通信。数据的传输存在双向性，上位机端发送时间戳信号给节点，保持采样的同步性；节点检测到的闪络信号发送给上位机显示，方便维护人员观察。虽然ZigBee设备具有3种类型的节点，但本系统在实际测量过程中传输距离较短，可只选取协调器节点及终端节点2种进行配置。其中，协调器节点主要完成接收终端节点信息、发送上位机的时间同步命令等任务。终端节点主要完成串口数据获取、无线传输处理等任务。

程序中，采用广播信标的模式，协调器负责以每20 μs的间隔向网络广播信标帧,实现协调器节点定时消息的产生，达到同步信标的传输，最终实现监测系统的实时监测。

3 实验验证及分析

为验证监测系统效果，搭建了实验平台进行验证，将每个终端为互不影响的数据采集检测节点，每个节点的设计方案相同，由超声波传感器、模拟信号预处理电路、单片机和ZigBee无线单元等构成。如图6所示。将传感器贴于GIS气室外壁，用于捕捉闪络故障时发出的超声波信号。主控单元对传感器采集的信号进行处理后，经串口将处理得到的波形信息传送给ZigBee终端节点模块，再利用ZigBee终端节点模块将数据传输到协调器模块，协调器通过串口与PC监测端连接，将接收到的数据发送至PC监测端。

图6 系统监测设计图

由PC端对数据进行显示、分析等处理，并对其时间先后和信号幅值进行比较，选取时间最早幅值最强的位置作为闪络故障点。当信号幅值无法判定时，选取时间最靠前的点作为闪络故障点，然后发送报警指令给相应节点，实现放电位置的快速定位。操作人员可在确定故障节点后通过监控平台发送指令关闭报警提醒。

在模拟的GIS设备检测平台上进行敲击实验。测试方法为：用胶带将传感器贴片固定在GIS设备筒壁上，分别在相同的位置利用弹射器以相同的强度敲击GIS设备筒壁。选择3个传感器节点，分别命名为1号、2号和3号，并分别在1#、2#和3#处进行敲击，如图7所示。

图7 敲击实验示意图

理想情况下，当在1#处敲击时，距离1#处最近的1号传感器检测到的电压值应该是最大的，相距一个法兰的2号传感器检测到的数值应当比相距2个法兰的3号传感器检测的数值大，2#、3#亦然。观察并记录监测到的电压值，实验结果如表1所示。

表1 实验结果记录 mV

从表2可看出，在1#处敲击时，1号传感器检测到的电压值是最大的，2号传感器检测到的电压值次之，3号传感器所测电压值最小；在2#处敲击时，2号传感器检测到的电压值最大，1号传感器所测电压值次之，3号传感器测得电压最小；在3#处敲击时，3号传感器所测电压值最大，2号传感器所测电压值次之，1号传感器测得电压值最小，实现了预期的检测效果。在每个位置处的3次实验，数据并不完全相同，对其进行初步的分析：信号源不是完全一样的，且信号可能会在传播过程中遇到筒壁产生回声，造成了信号的叠加，虽然与此同时传感器会对信号进行监测采样，但此时误差已经产生；同时，GIS设备实际运行环境更为复杂，周遭充斥着大量电磁干扰。因此，要进一步提升监测节点的硬件平台抗干扰性能，降低非线性误差。

4 结束语

本文设计了一种基于ZiqBee无线传输网络的GIS监测系统。通过搭建试验平台，对所标记的3个位置分别进行了3次敲击实验，记录相应的实验数据并分析实验结果，最终实现了对GIS闪络放电故障的快速定位功能，验证了基于ZigBee无线传输网络的GIS监测系统方案的可行性。同时，本文方案避免了在用超声探测法对GIS闪络放电监测系统的大量布线问题，提高了测试人员的工作效率。当发生闪络故障时，LabVIEW界面会精确显示发生故障的位置，同时发出报警声响。但由于实际环境的复杂性，干扰较多，还需要改进硬件电路，使前端信号采集更精确。