摘要：变电站设备端子箱温度湿度的读取，一般通过运行值班人员定期去现场巡视或在恶劣天气时排查监测。这种方法不但给运行人员带来繁重的工作量，恶劣天气下会对室外设备区的运行人员人身安全带来隐患，而且现场逐一检查记录端子箱温度湿度的数据缺乏及时性、实时性。本论文主要是对将无线传感器网络技术与虚拟仪器技术共同运用在变电站室外端子箱温度湿度监测系统进行的研制。经实践证明，本论文研究的端子箱温度湿度的监测是一种简单易行、效果显著、更加的自动化、适用于生产现场的方法，由此减少运行人员在这方面的负担，具有较高的实用价值。
关键字：无线传感器网络技术；网络拓扑结构；上位机；虚拟仪器技术
1.引 言
端子箱温度湿度会对变电站设备正常运行造成很大影响。故要按时的对端子箱温度湿度进行监测，对端子箱温度湿度的异常变化作出相应措施。通常运行人员需要每天或者每周对端子箱温度湿度进行记录，而且需要到设备区手持监测仪器对端子箱温度湿度数据进行采集。所以这种情况会造成运行人员工作量增大很多。
随着现代微电子技术、嵌入式系统、无线通信技术、计算机网络技术等的快速发展，端子箱温度湿度的读取从独立的单一化模式向集成化、微型化、网络化、智能化方向发展。无线传感器网络 ( WirelessSensor Network，WSN) 正是顺应以上趋势而产生的新技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域内各端子箱温度湿度的信息，读取的温度湿度数据通过无线方式发送，以自组织、多跳的方式传输到接收端。相比传统的人工监测，它能够实时的而且不用考虑天气状况带来的不便，随时监测端子箱温度湿度[1]。这不仅有利于变电站智能化的进一步发展，也为数据采集现代化的深入研究和应用提供了宝贵的实践性经验，所以端子箱温度湿度监测系统的设计对变电站的安全运行有很重要的意义。
2.无线传感器网络部分设计
2.1无线传输技术选择
无线传输技术目前应用比较广泛的有蓝牙，wifi，Z-Wave，zigbee等。
1) 蓝牙，比如蓝牙耳机，蓝牙开关。蓝牙更多解决的是便捷，以及近场交互。蓝牙可以通讯的距离大约10米左右，但是只能组建最多8个节点的星状网络，而且它的能耗特别大，所以电池只能支持几天。
2) Wi-Fi，普通的无线路由器当有10个设备以上连接上的时候，将超过路由器的承受能力。Wi-Fi虽传输速率快、传输距离远，但是它的功耗更大，网络组织能力差，只能组建最多为30个节点的星状网络。
3) Z-Wave技术，它的优点是成本低、耗能低、结构简单、可靠性较高，在美国它的工作频带是908.42MHz，而在欧洲其工作频带一般是868.42MHz，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kbps，数据传输的距离在100米左右。虽然Z-Wave优点突出，但是在中国Z-Wave工作的频段（865.2MHz-956MHz）是非开放的，所以不能作于民用。
4) ZigBee技术，它的优点是功耗低，多跳，自组网的一种无线传输技术。zigbee的每个模块都可以设置成协调器节点和路由节点[2]，只要程序编制适当，它组建的网路就会非常牢靠，不像其它的网络坏掉了发射器整个网络就瘫痪了。但其单个传输距离有限，组网后可以传输很远。
通过比较ZigBee更适合本系统的设计要求，尤其是在采用电池作为供电电源，和长期无人值守的环境。
2.2 ZigBee无线传感器网络设计
ZigBee 支持包含有主从设备的星型、树簇型和对等拓扑结构,星型拓扑结构增删方便、快捷、易于管理, 最大的缺点是节点可能成为网络的瓶颈，影响整个网络的性能。树簇型拓扑结构，相当于利用路由器节点对星型拓扑结构的扩充，网络覆盖范围相对较大，结构简单、维护方便，对等拓扑结构相当于每个节点都具有路由功能，数据传输可靠性高，网络覆盖范围大，但数据冗余现象严重，消耗大[3]。
通过对网络拓扑结构的分析和对变电站内部环境的勘察，本监测系统采用树形网络拓扑结构，相比星形拓扑结构它可以的连接的模块更多，可以传输的更远，网络修复功能更强。这些特点网状网络拓扑结构都具备，而且比树形网络结构在这几方面更具优势，但是它的功耗太大，所以变电站端子箱温度湿度监测系统设计采用树形网络拓扑结构。根据树形网络拓扑构特点，目前本监测系统处于小范围试验阶段，故本设计设置了4个模块，分别为1个协调器功能模块（负责组建网络），2个路由器（负责采集和传输数据）和1个传感器节点（负责采集数据），如图2-1所示；树形网络拓扑结构，如图2-2所示。
图2-1 硬件
图2-2 系统结构
系统协调器采用串口RS232 与 PC 机连接。系统的整体工作过程如下：首先由协调器节点创建 ZigBee 网络,创建成功后协调器以后只起到普通路由器的功能，然后等待路由器节点和终端节点加入。当路由器节点和终端节点上电后，自动搜索空间中协调器创建的网络，搜索到就自动加入。至此整个无线网络建立起来了。路由器和传感器节点采集数据并发送数据，采集的结果发送给协调器，并通过串口上传给 PC 机进行处理以完成监测任务。
3.上位机部分设计
本系统的监测软件的人机交互界面应该是可直观的进行观察和操作便捷。本部分的设计采用NI公司的LabVIEW进行设计，这个编程软件与其他常用的编程软件最大的区别就是它不以文本为基础，而是以一个个功能图标为基础，这里称之为图形化编程语言，编程人员只需要要在各个功能图标之间连接线路就可以，这样一来使开发周期缩短，而且这款软件很容易掌握。VI 程序的设计包括三部分，一是框图程序的设计（功能图标的连接），二前面板的设计（人机交互界面的设计），是三是程序的调试。
通过以上研究分析得到了适合本监测系统设计的程序结构——“队列消息处理器”。“队列消息处理器”程序结构的特点就是多个子程序可以同时运行，而且不同子程序之间可以进行数据传递[4]。每个子程序代表一个任务，如信息采集。除此之外这种程序结构还具有可以把每个任务再分成多个状态的功能特点。
该程序结构顾名思义包含一个生产者循环（事件处理循环）和一个消费者循环（消息处理循环），如图3-1所示。这个程序结构的优势就在于，只要想扩展功能，那么增加消费者循环就能实现，而且不容易造成程序的混乱，从而增强监测软件的稳定性[5]。
图3-1 队列消息处理器
本监测系统在“队列消息处理器”程序结构的基础上对主程序进行设计，主程序设计的步骤如下所示：
1.为了使监测系统的应用更加的安全，这里为本监测系统设置了登录系统，确保只有合法的用户才能操作本监测系统。
2.确定消息处理循环为2个。分别为1）事件处理循环，用来对人机交互信息进行判断，从而执行相应的操作；2）数据采集循环，Zigbee无线传感器网络把采集到的端子箱温度和湿度数据发送给这个循环，然后进行相应的处理，3）历史查询循环，用户可以对任何时间段的温度和湿度数据进行查询。
3.将数据采集任务分为三个条件分支，分别为：开始、采集和退出，历史查询分成两个状态：历史数据和退出。
4.事件处理循环中的事件通过前面板设置的开始采集、数据查询、退出系统按钮产生。
图3-2 主界面
系统所有功能都是以子程序的形式进行设计的，而且各个子程序都是动态载入内存的，也就是说只有在调用相应子程序时才载入内存，这样大大减少了内存占用空间。
4.实验及结果分析
本监测系统设计的目标就是操作方便，稳定准确。所以对监测系统进行试验测试，检验是否符合设计的要求。首先对端子箱温度湿度数据采集部分进行测试,测试它的准确性和稳定性，然后对端子箱温度湿度数据处理部分进行测试，测试其是否具有良好的可操作性和稳定性。
本测试选择了220kVXX变电站220kV运行区展开实验，布置了3个功能模块进行组网测试，分别为协调器模块、路由器模块和传感器模块，如图4-1所示。测试一：协调器建立网络后，路由器模块和传感器模块是否能够成功加入网络；测试二：单独对传感器模块进行测试，把它放到距离协调器已经不能加入网络的距离后，再把路由器模块放到它们中间，看是否传感器模块能够成功加入网络；测试三：添加传感器模块的数量组成树形网络，采集数据的频率设置高一些，对网络进行整体稳定性测试。
图4-1采集点分布图
通过测试得出一是路由器模块和传感器模块能够成功的加入网络，协议栈中信号强度要求设置在-85dBm以上，如果信号强度小于这个数值，将无法连接网络或者加入网络的速度会很慢，说明信号强度有要求；二是测试范围在50米内是可以稳定的接收到数据的，数据丢失情况较少，当超过50米时会出现协调器几个采集周期的数据都没有传输上来的情况，数据丢失较严重，说明传输距离应满足要求 。
5.结语
通过测试得出变电站端子箱温度湿度数据采集部分在满足信号强度与传输距离的前提下采集较稳定，采集后的数据处理部分通信良好，操作界面较人性化方便使用，操作起来较流畅，没有出现重大的操作故障，总体来说可以较好的完成对变电站端子箱温度湿度的监测工作，达到了设计要求。
参考文献:
[1] 杨卓静，孙宏志，任晨虹.无线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010(11)：127～129.
[2] 冯立波，李永战，吴银锋.一种通用的无线传感器网络监控平台[J].闭仪表技术与传感器，2008(10)：55~57.
[3] 章伟聪，俞新武，李忠成. 基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J]. 计算机系统应用，2001，,20（7）：184-187,120.
[4] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5] 欧阳华兵，徐温干.LabVIEW与C语言的接口技术及应用，仪器仪表用户，2004(6):76-77.
论文作者:苏夏侃,孙一莹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：湿度论文; 端子论文; 网络论文; 温度论文; 传感器论文; 结构论文; 拓扑论文; 《电力设备》2017年第34期论文;