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嵇康四弄:物联网传感器网络在开关柜测温中的应用

时间: 2019-01-10阅读:

摘 要 本文将物联网传感器应用于10kV开关柜及低压配电柜的温度监测。设计了系统总体架构,论述无线传感器网的通讯原理研究设计了应用于高压开关柜温度监测的无线温度传感器节点,开发了基于地理信息系统的监测管理软件。

【关键词】无线传感器网络 物联网

1 引言

10kV开关柜及低压配电柜的是保证电力系统安全生产的重要设备之一。设备在长期的运行过程中,设备因超负荷运行,必然会出现过热现象;另外,设备中的连接头接触不好或因产品制造、运输以及安装过程缺陷等原因也会引起接触点的电阻过大,会导致接触点产生过热的现象。电缆接头、动静触头和母线排连接处等部位因过热引起绝缘老化、击穿甚至发生火灾,在10kV开关柜及低压配电柜中尤为突出且影响极大。因此,对这些发热部位进行实时温度的监测十分必要,以避免短路引起火灾、烧毁或突然停电等事故。

2 系统总体组网结构

配电网自动化是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个高度集成的系统,是现代计算机技术和通信技术在配电网监视与控制上的高级应用。本系统中将无线温度传感器网络融合在现有的物联网里,实现了远程高压配电柜内电缆、触头等温度的监测。

3 无线温度传感器网络

无线温度传感器网络包括分布式的温度传感器节点、无线网关节点、国家电网通信网和监测 软件。温度传感器节点布置在被监测电缆或触头处,节点通过射频天线将数据发送到无线传感器网络网关BS909,BS909网关通过路由器和国家电网光纤网融合将数据传送到监测 中心主机,传感器网络通信系统如图1所示。本系统主要结构是将集成BF模块的温度传感器节点部署在高压开关柜内,构成基于BF技术的传感器网络拓扑结构。在半径约1000m范围内的高压开关柜可组成一个单独网络,每个网络装备一个网关。

4.1 物联网无线通讯协议

802.15.4标准定义了PHY层和MAC子层,国内外,大多无线传感器网络产品从上层应用层开始编写,直接调用协议提供的库函数,与从底层MAC层编寫的协议相比,效率较低,受到了限制太多,使用不灵活等约束。比如,为了实现同步,消除授时时延误差,最好在低层(MAC层)打上时间戳,用来消除发送节点的处理延迟和MAC层的访问延迟。如果在上层应用层调用库函数,就没有办法在底层使用时间戳,从而造成同步精度大幅降低。

本项目无线传感器网络协议遵从802.15.4标准,从MAC层开始编写完成。网络拓扑采用星型或树型。对于簇树型网络,整个网络分成多个簇,由部分节点组成簇树的主干和从干(簇头),其他大部分节点成为簇树的叶设备,叶设备的数据汇集到各自的簇头,由簇头多跳传输到中心网关。传感器节点通过场强检测和链路质量监听,加入到最合适的簇,生成固定的路由表和备份路由表。由于本项目专门适合于监测点固定的应用,我们的路由协议仅考虑了节点失效和新加入节点的情况,并没有考虑传感器节点频繁移动的拓扑变化,保证了网络协议的高效率。

4.2 物联网无线温度传感器节点

本无线传感器节点采用无线 SOC 片上系统 SAW,在单个芯片上整合了BF射频(RF)前端、内存和微控制器,温度传感器采用DB2030技术。

4.2.1 温度传感器DB2030

DB2030是最新单线数字温度传感器,它的体积更小、适用电压更宽、更经济,DB2030是支持“一线总线”接口的温度采集传感器,一线总线具有独特而且经济的特点,可轻松地组建传感器网络架构,为温度测量系统的构建引入新概念,它的温度测量范围为-45~+220℃,在-20~+65℃范围内,精度为±1℃,现场温度会直接以“一线总线”的数字方式进行传输,极大的提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境及强电磁干扰环境的温度测量,让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

4.2.2 无线通讯模块

SAW 芯片延用了以往SAW 芯片的架构,在单个芯片上整合了BF 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU(8051),具有128 KB 可编程闪存和8 KB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、AES129 协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection),以及21 个可编程I/O 引脚。SAW 芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于24 mA 或23 mA。SAW 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。无线网关即无线数据传输基站,用于收集各类传感器的无线信号,并通过RS-485总线形式、USB线或GPRS无线传输模块,将数据传送给控制主机。它是由MCU、RS-485接口、CAN接口、GPRS 模块、2.4GHz数字RF收发器、宽输入DC/DC直流稳压电源、IP66 PPS外壳和高增益定向天线等组成。

参考文献

[1]孙少伟,戴义保,章高琴.基于DB2030组网测温的研究[J].自动化仪表,2006,27(10):1022-1024.

[2]宁炳武.基于SAW的BF网络节点设计[J].电子技术应用,2008,34(03):198-199

[3]马永强 李静强 冯立营.基于BF技术的射频芯片SAW[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(03):14-16.

[4] 邓明.光纤收发器应用的现状及展望[J].计算机工程应用技术,2010(01):131-132.

作者单位

1.辽宁辽能配售电有限责任公司 辽宁省沈阳市 110000

2.辽宁省电力有限公司检修分公司 辽宁省沈阳市 110000

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