鄧科，侯曉松，王芹，洪葉，肖粲然，黃雄峰

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050； 2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

基于WiFi技術(shù)的吊車升降車臨近電位作業(yè)距離測量通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄧科1，侯曉松1，王芹1，洪葉1，肖粲然2，黃雄峰2

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050； 2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

電力領(lǐng)域臨近電位施工工作過程中，吊車升降車與帶電體需保持一定距離，一般通過作業(yè)距離測量系統(tǒng)保障。受限于布線等問題，本文針對此測距系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了用于吊車升降車測距的通信系統(tǒng)。通過在測量端與接收端嵌入WiFi通信模塊，以STM32單片機(jī)為核心設(shè)計了控制電路，實現(xiàn)了對吊車升降車與電力設(shè)施的實時距離測量。

距離測量；WiFi通信；STM32單片機(jī)；控制電路

1 引言

電力是國家經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，持續(xù)、優(yōu)質(zhì)的電能服務(wù)是地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民正常生活的前提，帶電檢修成為電力行業(yè)不可或缺的方式。在開關(guān)站、變電站等檢修過程中，檢修人員或輔助設(shè)備過于接近高壓帶電設(shè)備，存在很高的風(fēng)險，為保障人員及設(shè)備安全，精確測量檢修人員及設(shè)備與帶電設(shè)備的距離以保障用電安全，顯得尤為重要。

吊車升降車作為常用的檢修輔助設(shè)備，工作過程中吊臂需要進(jìn)行升降、伸縮等靠近帶電體的操作，受視線等因素影響，存在過于接近或者觸碰帶電體危險。在其上安裝有線監(jiān)測設(shè)備，因吊臂工況復(fù)雜，會有布線困難、線路容易損壞等問題。而無線測距方式[1]可以克服布線難等問題，同時可使測距裝置布置更加靈活，滿足多角度、大范圍的測距要求[2]。

在無線測距系統(tǒng)中，無線通信技術(shù)主要有2.4GHz、433MHz和GPRS通信網(wǎng)絡(luò)[3]。GPRS通信技術(shù)在處于偏遠(yuǎn)地區(qū)的變電站、開關(guān)站中通信信號質(zhì)量較低不能提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。一般，近距離的無線通信多采用2.4GHz頻段。而在2.4GHz通信技術(shù)中以WiFi[4-5]、ZigBee[6]等協(xié)議為主：WiFi通信技術(shù)較ZigBee通信技術(shù)通信更為穩(wěn)定，且技術(shù)成熟，便于二次開發(fā)，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[7-8]。所以為保障穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，本文利用WiFi通信模塊并應(yīng)用STM32單片機(jī)構(gòu)建控制電路[9]來實現(xiàn)距離測量通信系統(tǒng)。

2 距離測量通信系統(tǒng)設(shè)計方案

WiFi是IEEE802.11b的別稱，是由名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語。無線測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩部分組成——前端距離測量裝置與操作人員處的測距數(shù)據(jù)接收裝置。

圖1 距離測量通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

距離測量端采用高精度的超聲波傳感探頭采集距離數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過RS232串口在測距模塊、WiFi模塊和STM32控制模塊之間傳輸，WiFi模塊在收到測距信息后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)接收端由WiFi模塊接收數(shù)據(jù)，液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)，RS232串口建立各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，STM32控制模塊完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

3 通信系統(tǒng)裝置的實現(xiàn)

3.1 WiFi通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

WiFi模塊的組網(wǎng)應(yīng)用設(shè)置通過與之連接的PC機(jī)完成，其設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 WiFi模塊設(shè)置界面

WiFi模塊與PC機(jī)利用RS232串口互聯(lián)，將兩個終端WiFi模塊分別設(shè)置為STA和AP模式，AP模式下WiFi模塊作為WiFi網(wǎng)絡(luò)“服務(wù)器”，STA模式下WiFi模塊作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的“客戶”端。

3.2 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

利用STM32單片機(jī)設(shè)計終端模塊、測距模塊和WiFi模塊的控制器，分為兩個部分的控制。軟件控制程序設(shè)計分為發(fā)射端和接收端設(shè)計開發(fā)。

發(fā)射端控制程序流程圖如圖3所示，包含三個主要過程：(1)控制模塊串口初始化；(2)根據(jù)協(xié)議給超聲波傳感器串口發(fā)送0Xb1指令；(3)控制模塊使串口進(jìn)入等待狀態(tài)，收到數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3 發(fā)射端控制程序流程圖

發(fā)射端程序代碼如圖4所示，基于C語言源程序，建立相應(yīng)的STM32工程模板完成程序的編寫。

圖4 發(fā)射端部分程序

接收端控制程序流程圖如圖5所示，主要分為4個過程：(1)控制模塊串口初始化；(2)控制模塊串口進(jìn)入等待狀態(tài)；(3)串口2接收數(shù)據(jù)，判斷處理收到的數(shù)據(jù)；(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼并由LED顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

4 無線測距系統(tǒng)的測試與分析

吊車升降車臨近電位安全距離測量通信裝置的兩個終端分別如圖6、圖7所示。圖6為無線測距裝置主機(jī)箱，通過外置的報警燈和蜂鳴器實現(xiàn)低于接近允許距離的聲光報警，液晶顯示屏顯示最接近帶電體與吊車箱體及工作人員的距離數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)實際工況需求進(jìn)行安全距離設(shè)置。

圖5 接收端軟件流程圖

圖6 無線測距裝置主機(jī)箱

圖7為距離測量終端裝置，采用高精度超聲波探頭測距，控制電路、電源及WiFi模塊集成于裝置內(nèi)部，尾部將WiFi模塊的天線引以提供穩(wěn)定的信號。

圖7 距離測量終端

在湖北省巴東縣漁峽開關(guān)站檢修期間進(jìn)行現(xiàn)場測試。表1為兩個終端之間的最遠(yuǎn)通信距離測試。測試人員將測距裝置對準(zhǔn)一個固定的物體不動，將主機(jī)箱移動遠(yuǎn)離測距裝置時記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，當(dāng)距離達(dá)到10m、30m、50m時顯示器上有顯示出當(dāng)時測距裝置所測數(shù)據(jù)為871mm，證明通信系統(tǒng)通信正常；而當(dāng)距離達(dá)到60m、70m時顯示器無法顯示出測距裝置所測數(shù)據(jù)，表示通信系統(tǒng)通信異常。測試表明，受環(huán)境影響，WiFi模塊通信無法達(dá)到理論的100m。

表1 系統(tǒng)通信終端通信距離數(shù)據(jù)表

表2為針對開關(guān)站內(nèi)不同粗細(xì)線纜進(jìn)行目標(biāo)物體可測性分析。測試人員將測距裝置對不同粗細(xì)的線纜進(jìn)行測量。在表2中，對纜心粗細(xì)分別為400mm2、800mm2進(jìn)行距離測試，液晶顯示屏顯示對400mm2線纜的測量范圍可測達(dá)到4m，對800mm2線纜的測量范圍可達(dá)到可測到5m，均能達(dá)到漁峽500kV開關(guān)站中安全操作距離的要求。

表2 距離測量范圍與線纜粗細(xì)關(guān)系表

5 總結(jié)

本文中設(shè)計的基于WiFi的通信系統(tǒng)在吊車升降車等鄰近電位工作時具有良好的實時數(shù)據(jù)通信傳輸能力，滿足了安全距離測量及報警等功能需求。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,造價低廉,適應(yīng)性強(qiáng),適合廣泛應(yīng)用。

[1] H.M.Hashemian，Wireless Sensor Applications in Nuclear Power Plants[J].Nuclear Technology，vol173，2011，8-16.

[2] 安嘯.非接觸式測距技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用研究[D].陜西：長安大學(xué)，2012.

[3] 韓偉.GPRS無線通信在電力系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,S2:276-279.

[4] 李先權(quán).WiFi網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[5] 孫志浩.基于WIFI網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程控制下位機(jī)控制電路設(shè)計[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學(xué)，2011.

[6] 朱節(jié)中.ZigBee在電力系統(tǒng)溫度測量中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2009，25(4)：81-83.

[7] 段云飛,楊磊,李鄆.基于無線自組網(wǎng)的電力系統(tǒng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)通信,2008,11:10-13.

[8] 張強(qiáng),孫雨耕,楊挺,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電力,2010,6:31-36.

[9] 張旭,亓學(xué)廣,李世光,等.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2010,11:90-93.

Design and Implementation of Wireless Adjoining Potential Distance Measuring System for Crane Based on WiFi

DENGKe1,HOUXiao-song1,WANGQin1,HONGYe1,XIAOCan-ran2,HUANGXiong-feng2

(1.State Grid Electric Power Company Maintenance Company,Wuhan 430050,China;2.Three Gorges University,Yichang 443002,China)

In electrical power construction,to keep a certain distance between crane and High-voltage equipment is very important.Normally construction personel use a distance measuring equipment to measure the distance.This paper focus on real-time data transmission,a wireless distance measuring system is introduced.Using WiFi communication model and STM32 microcontroller to design a control circuit,this wireless distance measuring system is implemented.

distance measuring;WiFi;STM32 microcontroller;control circuit

1004-289X(2016)06-0058-03

TMTP277

B

2015-11-06