基于ZigBee無線傳輸網絡的GIS監測系統設計

高春麗，朱嘉林，張鷺莎，王 雪

(1.北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192；2.北京信息科技大學 信控中心，北京 100192)

0 引言

20世紀90年代后期，隨著網絡技術的發展，各類短距離無線通信技術也得到了較快發展，如WiFi、藍牙及ZigBee技術等。WiFi技術具有傳輸速率高的特點，目前可達Gbps級以上，但成本高，功耗大[1]；藍牙技術傳輸速率較慢，僅有1 Mbps，傳輸距離短，覆蓋范圍一般在10 m左右，其藍牙協議屬于專利，使用會增加成本[2]；ZigBee技術傳輸速率低，一般為250 kbps，但具有低功耗、低成本和自組網等優點[3]。而在GIS設備監測系統中，通常數據傳輸量小，250 kbps足夠實現數據的傳輸，且監測系統通常要求網絡可自組網、自維護，以及由于工期較長要求低功耗。相較于Wifi和藍牙技術，ZigBee技術既具有成本優勢又具有功能優勢，非常適合用于對GIS的閃絡監測中。

在利用超聲探測法對GIS進行閃絡檢測時，測試人員要想得知GIS設備的故障所在，布線通常較為復雜，這會耗費大量人力和物力，且一旦出錯，很難排解問題所在。使用ZigBee短距離無線通信技術可改善超聲傳感器采集數據后的傳輸難題，節省布線、安裝等的時間，能夠對GIS閃絡故障快速定位。因此，本文設計了基于ZigBee無線傳輸網絡的GIS監測系統。

1 系統硬件介紹

系統總體結構如圖1所示。此監測系統是由單片機為核心的下位機和LabVIEW上位機構成。

圖1 系統總體結構

對傳感器捕捉到的信號通過預處理、模擬數字轉換器(analog-to-digital converter，ADC)，才能由單片機處理，最終傳輸至無線傳輸網絡中，經上位機獲取和控制，進而實現系統的監測。

1.1 前端信號處理

超聲波傳感器將在閃絡故障時捕捉GIS設備所產生的超聲信號，并將其轉變為微弱的電信號。在信號預處理階段，對小信號進行放大和濾波，使得阻抗匹配以及避免通道上ADC的負載效應，保證ADC能夠獲取所采集的信號。

閃絡信號頻帶分布集中在20～80 kHz之間，表現為高頻脈沖形式，是一種瞬態信號。經傳感器獲取及模擬信號預處理，得到仿真信號如圖2所示。GIS閃絡故障產生的聲波信號類似于震蕩信號。

圖2 仿真信號

1.2 ZigBee 接口電路

1.2.1 ZigBee樹形拓撲結構

ZigBee技術作為無線傳感網的主導技術，進行信息的路由傳輸和收發。其規范定義了3種類型的設備：協調器、路由器和終端[4]。在樹形拓撲結構中，協調器連接一系列的路由器和終端,它的子節點的路由器也可以連接一系列的路由器和終端。這樣可以重復多個層級，易于擴展和隔離故障；因此，選擇ZigBee樹形拓撲結構。拓撲結構如圖3所示。

1.2.2 無線數據傳輸模塊

由于通常對GIS進行監測的系統是在工廠，環境條件差，布線麻煩、耗時且易出錯，而CC2530是一款通用性極強的ZigBee智能無線收發芯片，應用范圍廣、功耗低、可靠性高、擴展性強、易于開發[5]；因此，本方案選用CC2530建立無線通信。

無線數據傳輸模塊采用串口通信的方式進行數據傳輸。為了對ZigBee模塊進行實時在線的調試功能，設計了ZigBee調試接口電路，方便調試和糾錯。調試電路如圖4所示。

圖4 ZigBee調試接口電路

1.3 PC監測端設計

PC監測端采用LabVIEW軟件界面化編程，它能使傳統儀器由硬件實現的分析處理和顯示功能，改由功能強大的PC機和顯示器來完成。儀器功能完全由軟件編程實現[6]。本系統利用此界面顯示GIS閃絡放電監測系統所采集到的數據，并將接收到的數據進行分析、處理，得到符合條件的數值，同時提供相應的功能按鈕。

2 系統軟件設計

ZigBee協議棧在2007Pro版本中對于網絡地址的分配采用隨機地址分配方式[7]。當新的節點想要加入到網絡當中時，協調器節點就會為之隨機分配一個地址，然后通過廣播的形式確認是否與其它節點有地址沖突，若產生沖突，該節點將修改自己的網絡地址重新加入網絡，直到不再有沖突發生；同時，當加入網絡成功，對節點的數據值進行檢測，通過該數據控制報警信號。其程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

無線傳輸程序實現了監測節點之間的相互通信。數據的傳輸存在雙向性，上位機端發送時間戳信號給節點，保持采樣的同步性；節點檢測到的閃絡信號發送給上位機顯示，方便維護人員觀察。雖然ZigBee設備具有3種類型的節點，但本系統在實際測量過程中傳輸距離較短，可只選取協調器節點及終端節點2種進行配置。其中，協調器節點主要完成接收終端節點信息、發送上位機的時間同步命令等任務。終端節點主要完成串口數據獲取、無線傳輸處理等任務。

程序中，采用廣播信標的模式，協調器負責以每20 μs的間隔向網絡廣播信標幀,實現協調器節點定時消息的產生，達到同步信標的傳輸，最終實現監測系統的實時監測。

3 實驗驗證及分析

為驗證監測系統效果，搭建了實驗平臺進行驗證，將每個終端為互不影響的數據采集檢測節點，每個節點的設計方案相同，由超聲波傳感器、模擬信號預處理電路、單片機和ZigBee無線單元等構成。如圖6所示。將傳感器貼于GIS氣室外壁，用于捕捉閃絡故障時發出的超聲波信號。主控單元對傳感器采集的信號進行處理后，經串口將處理得到的波形信息傳送給ZigBee終端節點模塊，再利用ZigBee終端節點模塊將數據傳輸到協調器模塊，協調器通過串口與PC監測端連接，將接收到的數據發送至PC監測端。

圖6 系統監測設計圖

由PC端對數據進行顯示、分析等處理，并對其時間先后和信號幅值進行比較，選取時間最早幅值最強的位置作為閃絡故障點。當信號幅值無法判定時，選取時間最靠前的點作為閃絡故障點，然后發送報警指令給相應節點，實現放電位置的快速定位。操作人員可在確定故障節點后通過監控平臺發送指令關閉報警提醒。

在模擬的GIS設備檢測平臺上進行敲擊實驗。測試方法為：用膠帶將傳感器貼片固定在GIS設備筒壁上，分別在相同的位置利用彈射器以相同的強度敲擊GIS設備筒壁。選擇3個傳感器節點，分別命名為1號、2號和3號，并分別在1#、2#和3#處進行敲擊，如圖7所示。

圖7 敲擊實驗示意圖

理想情況下，當在1#處敲擊時，距離1#處最近的1號傳感器檢測到的電壓值應該是最大的，相距一個法蘭的2號傳感器檢測到的數值應當比相距2個法蘭的3號傳感器檢測的數值大，2#、3#亦然。觀察并記錄監測到的電壓值，實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果記錄 mV

從表2可看出，在1#處敲擊時，1號傳感器檢測到的電壓值是最大的，2號傳感器檢測到的電壓值次之，3號傳感器所測電壓值最??；在2#處敲擊時，2號傳感器檢測到的電壓值最大，1號傳感器所測電壓值次之，3號傳感器測得電壓最??；在3#處敲擊時，3號傳感器所測電壓值最大，2號傳感器所測電壓值次之，1號傳感器測得電壓值最小，實現了預期的檢測效果。在每個位置處的3次實驗，數據并不完全相同，對其進行初步的分析：信號源不是完全一樣的，且信號可能會在傳播過程中遇到筒壁產生回聲，造成了信號的疊加，雖然與此同時傳感器會對信號進行監測采樣，但此時誤差已經產生；同時，GIS設備實際運行環境更為復雜，周遭充斥著大量電磁干擾。因此，要進一步提升監測節點的硬件平臺抗干擾性能，降低非線性誤差。

4 結束語

本文設計了一種基于ZiqBee無線傳輸網絡的GIS監測系統。通過搭建試驗平臺，對所標記的3個位置分別進行了3次敲擊實驗，記錄相應的實驗數據并分析實驗結果，最終實現了對GIS閃絡放電故障的快速定位功能，驗證了基于ZigBee無線傳輸網絡的GIS監測系統方案的可行性。同時，本文方案避免了在用超聲探測法對GIS閃絡放電監測系統的大量布線問題，提高了測試人員的工作效率。當發生閃絡故障時，LabVIEW界面會精確顯示發生故障的位置，同時發出報警聲響。但由于實際環境的復雜性，干擾較多，還需要改進硬件電路，使前端信號采集更精確。