基于物联网的通信电源监控系统的设计

基于物联网的通信电源监控系统的设计

陈涛

（国网浙江省电力公司杭州供电公司浙江杭州310020）

摘要：利用物联网技术对通信电源设备智能远程监控进行了研究，提出了以无线传感网为主体构架的远程监控系统，设计了相应的硬件实现方案，同时开发了远程监控软件。

关键词：通信电源设备；远程监控；物联网；底层通信

一、通信电源设备及其监控原理介绍

通信电源设备主要由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成。目前，通信电源的动力来源主要有几种：市电、油机、太阳能等绿色能源。在这其中，市电及油机等都是交流输入，其输入需要经过整流模块，转换为直流电后输入至直流配电屏，由直流配电屏分离为各种有效的设备电压，完成对各种设施的供电；而对于绿色能源而言，大多数绿色能源输出电能的主要形式都是直流电能的形式，所以输入的电能只要经过简单的整流后由直流配电屏为负供电。系统中的监控模块采用分布式的底层监控方式，将具有数据处理功能的监控模块嵌入到配电屏、整流、蓄电池组等设备中，以便完成监控功能。

整个监控系统由中心监控模块、嵌入式数据采集模块、监控客户端来组成，其中，整个底层通信采用无线传感网来实现，省去了布线的麻烦，维护及设备调整均灵活可靠。中心监控模块可采用32位以上的ARM芯片来担当，负责处理相应的上传及下达数据；嵌入式监控模块与PC端采用串口相连，将数据上传至PC机中的应用程序，对数据采取进一步的处理，并将控制命令下达至各嵌入式监控模块，以驱动执行机构产生动作。中心监控模块还可能利用GSM模块与另一种终端——手机进行通信，从而完成更为灵活的通信过程。

二、总体设计

基站电源管理系统平台和数据库集中部署于监控平台服务器，对平台的不同层（应用层、服务层、数据层）中的不同服务亦可以根据需要进行分布式部署。采集控制器对接入的各空开侧的电压，电流进行监测，本地存储记录各个空开的用电数据，按变化量或者变化百分比存储在本地，告警数据上传到数据处理服务器进行数据存储。各工作人员在PC机上通过Internet访问本平台，组网架构主要包括智能配电箱、通讯设备、以及各系统/设备的连接方式。由于平台采用分布式的部署，因此，当由于配电箱数量太多而使得监控平台服务器性能无法满足使用要求时，可以增加VPN、数据库、数据处理服务器数量，每个VPN接入的容量上限是16000个智能配电箱，采用云架构的系统有很强的扩展性，最大程度的保证业务量增大以后，系统的稳定性和可靠性。系统整体设计方案采用SOA（面向服务架构）设计思想，自下而上提供应用服务。下层应用不需关心上层应用的逻辑，只需提供本层应用的数据接口，所有交互由上层应用发起。采用SOA为监控系统的分层应用提供很好的扩展性，也为本系统外的其他应用提供了不同级别的数据服务和功能接口。数据采集层协议采用物联网标准的MQTT协议来通信。

基站电源管理平台的核心应用是数据分类处理和分级应用，解决不同类型的监控设备（开关电源、蓄电池、电表等）所产生的数据及应用的差异化需求，其中包括：事件数据与应用、实时数据与应用、周期采样数据与应用。

三、无线传感网通信模块硬件设计

无线传感网是目前应用非常广泛的无线通信方式，主要应用于工业控制、智能家居等场合。无线传感网络的定义是：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。网络中的节点具有同构、成本低、体积小、移动性不强等特点。在通信方式上，可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，其中以短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，所以称为无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetwork)。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，符合IEEE802.15.4协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。通信电源中需要采集的数据有交流电压、电流、频率、防雷器状态、直流电流电压、负载蓄电池电流、熔丝状态、各种温度湿度等参数。这些参数涉及到电压电流的采集，一般采用需要通过霍尔电流或电压传感器来实现，而其他的参数也选择相应的传感器采集数据。这些传感器连接在嵌入式监控模块的I/O口上，通过I/O口将数据传送至监控模块。

监控模块选择ZigBee芯片CC2530来完成数据的接收和处理功能。CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8kB的RAM，32/64/128/256kB闪存，以及其他强大的支持功能和外设，还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈(RemoTI，Z-Stack，或SimpliciTI)来简化开发，成为一种理想的监控模块载体。

在本监控系统中，无线传感网中的传感器连接在多个ZigBee网络的End_Device(终端节点)上，End_Device由一个简化功能的CC2530芯片担当，芯片中去掉了路由功能以降低工作能耗。整个网络可采用簇状树型结构。各个End_Device将数据由Router(路由节点)转发给Coordinator(协调器)。

Coordinator(协调器)处于网络的核心，每一个网络只有一个Coordinator，它的功能是整个网络的启动、网络信标的确定和发送、协助建立网络中安全层和应用层的绑定等。Coordinator通过RS232与ARM芯片相连，将数据传送至ARM芯片中。

ARM芯片采用Tiny6410，该芯片与PC机利用串口相连，将数据传送至相应的数据处理应用程序中。Tiny6410是一款以ARM11芯片(三星S3C6410)作为主处理器的嵌入式核心板。该CPU基于ARM1176JZF-S核设计，内部集成了强大的多媒体处理单元，支持Mpeg4,H.264/H.263等格式的视频文件硬件编解码，可同时输出至LCD和TV显示；它还带有3D图形硬件加速器，以实现OpenGLES1.1&2.0加速渲染，另外它还支持2D图形图像的平滑缩放，翻转等操作，对于从协调器传送过来的数据具有良好的支撑作用。

四、软件设计与实现

4.1ARM处理器软件设计

系统的ARM处理器运行内核版本为2.6.32的Linux操作系统将各种传感数据发送到网络是ARM处理器的工作之一，系统采用TCP/IP协议进行数据传输，数据传输程序利用Socket套接字进行开发。

4.2ZigBee无线传感网络设计

ZigBee无线网络具有三种拓扑结构[7]。根据具体应用的不同，系统中的无线传感单元的数量也不一样，所以系统设计必须考虑数据冲撞的情况。系统采用星型拓扑网络结构，ARM处理器模块上的节点定为网络的主节点，其它无线传感单元为从节点。当主节点接到控制命令后，向对应的从节点发送唤醒命令，从节点接到唤醒命令后根据命令进行数据传输或其它操控。该星型拓扑网络结构在有效避免消息碰撞的前提下，具有低功耗的优点。

4.3电能质量采集

通信电源的输入端的电压和电流都是周期性函数，都满足狄里赫利条件，可对其进行傅里叶分解，从而得出谐波含有率、畸变率和电压电流不平衡度等参数。系统利用TMS320F2812进行傅里叶变换和参数提取。

结束语

本设计以无线传感网为核心，以通信电源为对象，设计了在线监控系统，给出了相应的总体设计方案及硬件的基本选型。本设计的底层通信采用短距离通信技术ZigBee。整个通信网采用树型结构，设置一个协调器、多个路由器及多个终端。终端节点上连接相应传感器，从而构成了一个通信可靠性高、经济、能耗低的通信电源实时监控系统

参考文献：

[1]王佳慧.基于物联网技术的变电站智能辅助控制系统设计[D].华北电力大学,2013.

[2]孙彦景,左海维,钱建生,赵甫胤.面向煤矿安全生产的物联网应用模式及关键技术[J].煤炭科学技术,2013,41(01):84-88.[2017-09-08].

[3]王彦如.基于物联网的电动汽车智能加电业务关键技术研究[D].北京邮电大学,2013.