陳孟元，陳躍東

攜有時間標簽的物聯(lián)網(wǎng)構架下高壓遠距離輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

*陳孟元1,2，陳躍東1

（1.安徽工程大學，安徽，蕪湖 241000；2.安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽，蕪湖 241000）

高壓遠距離輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)對保障輸電線路的安全運行具有重要意義。根據(jù)高壓輸電線路分布范圍廣泛和監(jiān)測時間久的特點，提出了帶有時間/地理標簽的無線傳感器網(wǎng)絡在高壓遠距離輸電線路中的遠程實時監(jiān)測。子網(wǎng)采用ZigBee無線通信技術組網(wǎng)，負責高壓輸電線監(jiān)測參數(shù)的采集；骨干網(wǎng)采用GPRS技術實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與Internet的無縫連接。同時通過B/S體系結構，用戶端在登錄監(jiān)測系統(tǒng)后能實時瀏覽和分析無線傳感器網(wǎng)絡采集到的高壓輸電線監(jiān)測參數(shù)。

無線傳感器網(wǎng)絡，ZigBee，GPRS，S3C2410，北斗衛(wèi)星，Ｗeb服務器

2000 年盧強院士曾提出數(shù)字電力系統(tǒng)（Digital Power Systems，DPS）的概念，它是指某一實際運行的電力系統(tǒng)的物理結構、物理特性、技術性能、經濟管理、環(huán)保指標、人員狀況、科教活動等數(shù)字地、形象化地、實時地描述與再現(xiàn)[1]。最近一段時間，隨著中國經濟社會發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，運行水平大幅提高，建設“堅強的智能電網(wǎng)”成為中國電網(wǎng)建設的既定戰(zhàn)略。國家發(fā)改委稱，2009年至2020年，中國將投資4萬億元用于智能電網(wǎng)建設。

在計算機領域，存在著“十五年周期定律”。在1965年、1980年和1995年前后分別以大型機的出現(xiàn)、個人計算機的普及和互聯(lián)網(wǎng)的革命為標志引起企業(yè)間、產業(yè)間甚至國家間競爭格局的重大變化和動蕩。目前，物聯(lián)網(wǎng)收到了各界的熱烈追捧，被認為是振興經濟、確立競爭優(yōu)勢的關鍵戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略能否掀起如當年重要技術變革一樣的科技和經濟浪潮為世界關注。

標準時間與時間同步對于我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要地位，電力系統(tǒng)中的時間標簽是由全球定位系統(tǒng)（GPS）提供的，GPS授時存在手段單一和沒有自主控制權兩方面問題，不僅短期穩(wěn)定性差，而且安全性不強。研究我國擁有自主控制權的授時方式（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時），并在信號失效情況下，能與GPS互備授時保證時間標簽的準確。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電力設備監(jiān)測

現(xiàn)有的電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，一般采用RS485/CAN總線方式通訊，將監(jiān)測數(shù)據(jù)經過局域有線網(wǎng)實時傳至監(jiān)控中心。由于采用有線的通訊方式，它的數(shù)據(jù)傳輸依靠導體介質，需要鋪設電纜，由此帶來布線復雜、預設接口破壞建筑、線路檢測檢修困難、線路擴容困難等一系列和傳輸途徑有關的弊端，這些問題突出表現(xiàn)為傳感器可移動性差且日后的維護保養(yǎng)十分不便。近些年來，隨著移動通信技術飛速發(fā)展，為建立通暢、可靠的無線網(wǎng)絡提供了可能，越來越多的傳感網(wǎng)的信息采集和傳輸采用了無線通信技術。無線傳感網(wǎng)（wireless sensor network, WSN）可以有效降低有線方式采集、傳輸信號的弊端，精確獲取信息。

基于傳感網(wǎng)及無限通信技術的監(jiān)測系統(tǒng)可以有效解決通信方式的弊端，其可以劃分為感知層、接入層、網(wǎng)絡層和應用層，其監(jiān)測方案如圖1所示。感知層是將無線傳感網(wǎng)應用于高壓遠距離輸電線路狀態(tài)監(jiān)測，針對單個設備狀態(tài)監(jiān)測建立基于ZigBee無線通信技術的傳感器聯(lián)接，收集各監(jiān)測信息；接入層是通過GPRS技術將采集到的設備狀態(tài)量監(jiān)測數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)關，以無線傳輸?shù)姆绞浇尤刖W(wǎng)絡；網(wǎng)絡層通過Internet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)遠程傳輸至遠方的監(jiān)控中心；應用層則是有權限的用戶通過任意一種Web瀏覽器查看收集到的設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行故障診斷等高級應用分析，并可通過短消息等方式將異常情況通知相關負責人和檢修班組[2]。

圖1 攜有時間標簽的物聯(lián)網(wǎng)構架下高壓遠距離輸電線路在線監(jiān)測方案

2 基于ARM9的網(wǎng)關及傳感器節(jié)點硬件設計

目標監(jiān)測區(qū)域中部署的傳感器網(wǎng)絡主要由傳感器節(jié)點（Reduced Function Device，RFD）和協(xié)調節(jié)點（Full Function Device，F(xiàn)FD）和網(wǎng)關節(jié)點構成。監(jiān)測區(qū)域中的各傳感器節(jié)點組成星形拓撲結構的無線傳感器網(wǎng)絡，星形網(wǎng)絡是一個輻射狀的結構，如圖2所示。

所有的傳感器節(jié)點只通過協(xié)調節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點進行通信，將測得的信息通過多跳的方式傳送到協(xié)調節(jié)點，傳感器節(jié)點不是通信的起點就是通信的終點。協(xié)調節(jié)點負責無線傳感器網(wǎng)絡內部的管理與控制，如果某個傳感器節(jié)點要和另外一個傳感器節(jié)點進行通信，那么就需要協(xié)調節(jié)點，將數(shù)據(jù)先發(fā)送到協(xié)調節(jié)點，然后再由將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的傳感器節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點擁有較強的通信能力、計算能力和豐富資源的系統(tǒng)，它實現(xiàn)通信協(xié)議之間的相互轉換，完成無線傳感器網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡的無縫連接。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構

2.1 傳感器節(jié)點和協(xié)調節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點電路主要由微處理器、ZigBee RFD和傳感器組成。傳感器節(jié)點硬件框架如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點硬件框架

目前，高壓遠距離輸電線路監(jiān)測較長使用的傳感器有：震動傳感器、應力傳感器、傾角傳感器、弧垂傳感器、溫度傳感器、張力傳感器、加速度傳感器、雷電監(jiān)測裝置和覆冰監(jiān)測設備等等。通過在桿塔、輸電線等重要設備上部署各種監(jiān)測裝置，應用ZigBee無線通信技術組成多監(jiān)測裝置協(xié)同感知的無線傳感網(wǎng)，為在線監(jiān)測提供實時參考數(shù)據(jù)。

微處理器采用宏晶科技生產的高性能1T周期單片機STC11F16。

傳感器節(jié)點RFD和協(xié)調節(jié)點FFD使用的是Chipcon公司的CC2420芯片，性能穩(wěn)定且功耗極低，芯片采用直序擴頻技術，可確保短距離通信的有效性和可靠性。CC2420使用Microchip公司提供ZigBee協(xié)議棧，工作在免費2.4G頻帶，數(shù)據(jù)速率高達125Kbps，CC2420芯片支持128Byte的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩存。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分[3]。

傳感器節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)經由RFD節(jié)點轉化為ZigBee通信協(xié)議包，傳給就近的協(xié)調器節(jié)點FFD，F(xiàn)FD節(jié)點根據(jù)從節(jié)點驅動路由算法選擇最優(yōu)的通信路徑，通過其他FFD節(jié)點以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)包傳到網(wǎng)關節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，一方面按原路徑返回收到確認信息，以至到達發(fā)送數(shù)據(jù)的 RFD節(jié)點，實現(xiàn)握手通信，完成一次完整的ZigBee無線通信。否則RFD節(jié)點繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到收到協(xié)調器返回的握手信息。

2.2 網(wǎng)關節(jié)點硬件設計

網(wǎng)關硬件電路主要包括嵌入式微處理器（S3C2410A）、存儲器模塊（FLASH和SDRAM）、GPRS無線通信模塊、電源控制模塊以及其它外圍電路，其硬件框架如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關節(jié)點硬件框架

2.2.1 嵌入式微處理器

網(wǎng)關節(jié)點微處理器采用三星公司生產的16/32位RISC處理器S3C2410A，該芯片采用了ARM920T內核，具有低功耗、高性能和全靜態(tài)設計等特點，并且集成了豐富的系統(tǒng)外圍設備，如獨立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU虛擬存儲器管理、3通道UART和4通道DMA等，降低了系統(tǒng)設計的成本。內核的工作電壓為1.8V/2.0V，存儲器和I/O口的工作電壓為3.3 V，工作頻率最高可達266MHz。

2.2.2 GPRS無線模塊

GPRS無線模塊的主要作用是通過GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡通信實現(xiàn)ARM終端和客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)選用市場上常用的一款用于工業(yè)級的GPRS無線模塊MC35[4]，它是由德國西門子公司生產的一款GPRS無線模塊，MC35可實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)傳輸、短信、傳真等功能，支持AT命令和TCP/IP協(xié)議，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段模式，電源范圍為直流3.3～4.8 V，典型電壓為4.2 V，功耗在EGSM900和GSM1800分別為2 W和1 W，支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四種編碼協(xié)議，最大上行和下行數(shù)據(jù)傳輸速率分別為21.4 Kbps和85.6 Kbps。

MC35模塊主要由GSM基帶處理器、射頻模塊、供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF連接器、天線接口等六部分組成，其核心基帶處理器主要處理GSM終端內的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數(shù)字功能。該模塊有40個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)連接器引出與外部連接，這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制，其中16～23引腳為數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標準，通過芯片MAX232電平轉換后與S3C2410A相連，用AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)；24～29引腳為SIM卡接口，必須要外接一個SIM卡座，系統(tǒng)上電后會自動對SIM卡進行操作。

2.2.3 定位授時模塊

定位授時模塊采用的是七星創(chuàng)宇公司生產的7X-WYBD無源北斗定位授時模塊，如圖5所示。北斗定位授時模塊通過射頻接口（SMB-J）與北斗天線連接并從“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)上獲取精確的地理、時間信息[5]。

圖5 7X-WYBD無源北斗定位授時模塊

3 軟件平臺設計

軟件在操作系統(tǒng)平臺下采用函數(shù)模塊化設計，監(jiān)測系統(tǒng)是把無線傳感器網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊連接到Internet，再傳輸至客戶端。軟件平臺流程如圖6所示。數(shù)據(jù)傳輸過程遵守TCP/IP協(xié)議簇，具體通信協(xié)議模型如圖7所示。

圖6 軟件平臺流程圖

圖7 系統(tǒng)通信協(xié)議模型

3.1 GPRS通信的實現(xiàn)

GPRS通信的主要功能為實現(xiàn)PPP撥號和數(shù)據(jù)傳輸。終端首先向GPRS網(wǎng)絡進行PPP撥號，建立PPP通信鏈路并附著在GPRS網(wǎng)絡上，然后再主動向客戶端發(fā)送TCP/IP通信請求，在接收到回復后建立TCP/IP通信連接，這樣才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，通信流程圖如圖8所示。

圖8 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.1.1 PPP撥號

終端進行PPP撥號的過程就是獲得GPRS網(wǎng)絡動態(tài)分配IP地址的過程，具體過程為：

（1）系統(tǒng)通過串口向MC35發(fā)送AT指令設定好的初始配置參數(shù)（包括通信波特率、GPRS接入網(wǎng)關）；

（2）再發(fā)送ATD*99***1#指令準備與GPRS網(wǎng)絡ISP進行PPP協(xié)商；

（3）最后通過PPP協(xié)議發(fā)送相應的協(xié)議包進行PPP協(xié)商，在協(xié)商過程中一般用到的協(xié)議為LCP（鏈路控制協(xié)議）、PAP（密碼驗證協(xié)議）、IPCP（IP控制協(xié)議）。

（4）協(xié)商成功后，就獲得由移動ISP動態(tài)分配的內部IP地址 (一般是10.X.X.X)并附著GPRS網(wǎng)絡。

3.1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

當終端PPP撥號成功接入到Internet后，終端就要主動向客戶端發(fā)起通信連接，在傳輸層建立起TCP/IP通信通道，可以進行無線數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。

由于終端是處于GPRS內網(wǎng)中，每次撥號所獲得的IP地址不是固定不變的，所以只能由終端主動連接客戶端，而不能由客戶端主動連接終端，這個過程是不可逆的。這就要求客戶端必須具備固定的公網(wǎng)IP地址或固定的域名，且客戶端固定的公網(wǎng)IP地址或固定的域名作為參數(shù)存儲在終端FLASH中，以便終端一旦上電撥號成功，就可以主動連接到客戶端。

本系統(tǒng)采用面向可靠性數(shù)據(jù)傳輸特點的TCP傳輸協(xié)議作為傳輸層通信協(xié)議，所以終端通過客戶端的IP地址以及端口號等參數(shù)，向客戶端發(fā)起TCP通信請求，在得到客戶端響應后，終端即認為與客戶端握手成功，然后就一直保持這個通信連接存在，如果通信連接中斷，終端將立即重新與客戶端握手。TCP通信通道建立起后就可以進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)操作了，發(fā)送即是把應用層數(shù)據(jù)封裝成TCP數(shù)據(jù)段，經IP協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)報，然后再經PPP協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)幀格式，經串口發(fā)送給MC35，通過GPRS空中接口傳送到處于Internet網(wǎng)中的客戶端，接收與發(fā)送是相反的過程，即是數(shù)據(jù)幀的解封過程。

3.2 嵌入式Web服務器

嵌入式Web服務器是監(jiān)測系統(tǒng)的重點部分，它采用B/S結構模式設計，在客戶端通過Web瀏覽器就可以訪問服務器。嵌入式Web服務器軟件構成如圖9所示。

圖9 嵌入式Web服務器軟件構成

3.2.1 BOA服務器的移植

BOA 服務器是一個小巧高效的Web服務器，是一個運行于Unix或Linux下，支持CGI、適合于嵌入式系統(tǒng)的單任務的Web服務器，源代碼開放、性能高。以下是在Linux環(huán)境下搭建一個BOA服務器并移植到開發(fā)板上運行的步驟[6-7]：

第一步：編譯BOA服務器

（1）下載并解壓BOA源碼，目前最新版本為：boa-0.94.14rc21.tar.gz

# tar xzf boa-0.94.14rc21.tar.gz

（2）進入源碼目錄中src子目錄并生成Makefile文件：

# cd boa-0.94.14rc21/src

# ./configure

（3）修改Makefile文件：

把其中的CC改為：CC = arm-linux-gcc

CPP -E改為：CPP = arm-linux-g++

（4）編譯并刪除調試信息：

# make

# arm-linux-strip boa

這樣就可生成可執(zhí)行文件boa，并把它復制到開發(fā)板/usr/local/bin/目錄中。

第二步：修改BOA配置

從boa-0.94.14rc21源碼根目錄中找到boa.conf配置文件，打開并修改以下項目參數(shù)：

User nobody改為：User 0；

Group nogroup 改為：Group 0；

ScriptAlias /cgi-bin/ /usr/lib/cgi-bin/ 改為：ScriptAlias /cgi-bin/ /var/www/cgi-bin/；

#ServerName www.your.org.here改為：ServerName IP地址；

#AddType application/x-httpd-cgi cgi前面的#去掉使系統(tǒng)可以支持cgi方式；

修改完成后復制到開發(fā)板/etc/boa/目錄中。

第三步：配置開發(fā)板，并建立相應的文件夾

根據(jù)修改后的boa配置文件boa.conf中所規(guī)定的，在開發(fā)板中需建立以下文件夾：

創(chuàng)建日志文件存放目錄/var/log/boa/error_log和/var/log/boa/access_log；

創(chuàng)建html文件存放目錄/var/www；

創(chuàng)建cgi腳本存放目錄/var/www/cgi-bin；

復制主機上的mime.types文件到目錄/etc/boa/中。

將編譯好生成的cgi文件、html文件存放到開發(fā)板相應的文件夾中，在開發(fā)板中運行BOA服務器，在客戶端IE瀏覽器上輸入對應的URL就可以看到網(wǎng)頁。

3.2.2 CGI應用程序實現(xiàn)動態(tài)頁面

CGI(Common Gateway Interface公共網(wǎng)關接口)規(guī)范給出了Web服務器和CGI應用程序進程之間傳遞信息的標準，是嵌入式Web服務器中實現(xiàn)客戶與服務器動態(tài)交互的主要手段[8]。

它是運行在Web服務器上的一個程序，并由來自于客戶端的請求觸發(fā)。CGI是在Web服務器下運行外部程序（或網(wǎng)關）的一個接口，提供標準輸入（STIN）、環(huán)境變量、標準輸出（STOUT）三部分標準接口和服務器通信，傳遞有關參數(shù)和處理結果，一般完成Web網(wǎng)頁中表單(Form)數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)庫查詢和實現(xiàn)與傳統(tǒng)應用系統(tǒng)的集成等工作。CGI工作流程如圖10所示。

圖10 CGI工作流程圖

當客戶端用POST方法向服務器請求時，服務器通過標準輸入（STIN）向CGI程序傳送數(shù)據(jù)，或者用GET方法請求時，CGI程序通過QUERY_STRING環(huán)境變量獲得數(shù)據(jù)，CGI程序對獲得數(shù)據(jù)信息進行處理或者調用外部其它程序，然后處理成純文本格式或HTML格式文檔通過標準輸出（STOUT）傳給服務器，服務器再傳送給客戶端，這樣就完成了客戶所提交的數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)客戶與服務器動態(tài)交互。

4 結語

無線傳感器網(wǎng)絡應用于高壓遠距離輸電線路具有優(yōu)勢, 然而又面臨諸多困難，如網(wǎng)絡穩(wěn)定性和抗干擾性能、低功耗、節(jié)點供電等是其中的關鍵問題。本文主要介紹了帶有時間/地理標簽的無線傳感器網(wǎng)絡在高壓遠距離輸電線路狀態(tài)監(jiān)測中實現(xiàn)的基本原理，硬件各模塊的設計方案、軟件開發(fā)的主要流程, 并詳細討論了實施中遇到的主要問題。利用無線傳感器網(wǎng)絡分布式的特點，大幅度改善了系統(tǒng)可移動性和組網(wǎng)靈活性；利用GPRS模塊、ZigBee模塊和嵌入式Web服務器設計的網(wǎng)關實現(xiàn)了全網(wǎng)無縫連接，同時克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關構架下ZigBee傳輸速率較低的瓶頸。使得用戶通過Web瀏覽器實現(xiàn)對高壓輸電線監(jiān)測參數(shù)，考慮到網(wǎng)絡安全方面的原因，設置了訪問權限[9]。在服務器的登錄界面正確輸入用戶名和密碼通過后即可查詢具體某條高壓遠距離輸電線路的運行情況，對保障輸電線路的安全運行具有重要意義。

[1] 李勛,龔慶武,喬卉.物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)的應用展望[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(22):232-236.

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[9] 趙增華,石高濤,韓雙立,等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡的高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33(19):80-84.

ONLINE MONITORING SYSTEM OF POWER TRANSMISSION LINE IN LONG DISTANCE AND HIGH-VOLTAGE BASED ON INTERNET OF THINGS STRUCTURE WITH TIME-TAG

*CHEN Meng-yuan1,2，CHEN Yao-dong1

(1.Anhui Polytechnic University，Wuhu, Anhui 241000, China; 2.Anhui Key Laboratory of Electric Drive and Control，Wuhu, Anhui 241000, China)

Online monitoring system of power transmission line in long distance and high-voltage is significant to ensuring the safe operation of power transmission line. According to the power transmission line in long distance and high-voltage has wide-ranging and long monitoring time, we proposed the wireless sensor network with time/geographical label to monitor the power transmission line in long distance and high-voltage by real-time and remote. The sub network adopts grouped network of ZigBee wireless communication technology, which is responsible for collecting the monitoring parameters. Backbone network adopts the seamless link with internet and wireless sensor network of GPRS technology. Meanwhile, client could log in the monitoring system through the architecture of B/S, browse in real-time and analyze the monitoring parameters of power transmission line in high-voltage that collected by the wireless sensor network.

wireless sensor network; ZigBee; GPRS; S3C6410; COMPASS; web server

TG249.7; TM921.51

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.01.014

1674-8085(2013)01-0063-07

2012-06-12；

2012-07-28

安徽省自然科學基金項目(11040606M153);安徽高校省級自然科學研究項目(KJ2012B009);蕪湖市科技計劃基金項目(蕪科計[2011]47號文)

*陳孟元(1984-)，男，安徽蕪湖人，助教，碩士，主要從事自動檢測與控制系統(tǒng)研究(E-mail: mychen @ahpu.edu.cn);

陳躍東(1956-)，男，湖北宜昌人，教授，碩士生導師，主要從事自動檢測與控制系統(tǒng)研究(E-mail: ydcen1@sohu.com).