总第２４２期２００９年第１２期计算机与数字工程Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆ＤｉｇｉｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．３７Ｎｏ．１２１９３高压设局仕］陂备无线温度监控系统的设计。陈雁冰陈忠辉陈新（福州大学物理与信息工程学院福州３５０１０８）摘要针对高压电力设备周围强电磁场的工作环境，设计一套温度监控系统。系统采用ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术，实现了高压隔离。系统中测温节点采用电池供电，为保证高压设备连续运行，测温节点采用低功耗设计，使得２节电池续航时间达到２年以上。测温节点获取的数据通过路由节点最终汇集到一个协调器节点，再通过ＲＳ－４８５总线发送给监控中心，监控端计算机对数据存储并进行梯度计算等处理分析，从而实现监控和预警等功能。该系统也可辅助智能电网对设备进行监控，保障电网的安全运行。关键词ＺｉｇＢｅｅ温度监控无线传感器网络高压设备智能电网中图分类号ＴＰ２７４．２ＤｅｓｉｇｎｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＨｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｈｅｎＹａｎｂｉｎｇＣｈｅｎＺｈｏｎｇｈｕｉＣｈｅｎＸｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｆｕｚｈｏｕ３５０１０８）ＡｂｓｔｒａｃｔｒｏｕｎｄＡｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｎｏｄｅｓｉｓａｒｅａ—ｈｉｇｌｌ・ｖｏｌｔａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｔｈｅＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｔｏｅｎｓｕｒｅａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｉｓｏｌａ－ｔｉｏｎ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂａｔｔｅｒｙ－ｐｏｗｅｒｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｌｏｗ－ｔｏｐｏｗｅｒｃｅｎｔｅｒｄｅｓｉｇｎｎｏｄｅｕｓｅｄｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｅｘｔｅｎｄｓｔｈｅｌｉｆｅｏｆｔｗｏｂａｔｔｅｒｉｅｓａｒｅｍｏｒｅｔｈａｎ２ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｔｈｅｎｓｅｎｔｔｏｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｎｏｄｅｓｐｏｏｌｅｄｔｏａｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒｎｏｄｅｔｈｒｏｕｇｈｒｏｕｔｉｎｇｎｏｄｅｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｈｒｏｕｇｈＲＳ－４８５ｂｕｓ．Ｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｔｏｒａｇｅ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｓｅｖｅｒａｎａｌｙｓｉｓ（ｂｙｇｒａｄｉｅｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．）ｏｆｄａｔａｂｙｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｑｕｉｐｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍａｌｓｏａｉｄｓｔｈｅＳｍａｒｔＧｒｉｄｉｎｅ—ｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｇｒｉｄｓ．ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｗｉｒｅｌｅｓｓＫｅｙｗｏｒｄｓＣｌａｓｓＺｉｇＢｅｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴＰ２７４．２ｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｓｍａｒｔｇｒｉｄＮｕｍｂｅｒ１引言如今，电能已成为人类社会不可或缺的能源。不及时解决，就会加速周围绝缘材料的老化，甚至引起设备着火，引发事故。以往由于没有可靠的手段实时检测触头的温度，而采用定期检修的方式，因此偶尔会发生设备烧毁、大面积断电等事故ｕ］。因此，有必要对高压输电设备中的一些易升温部位进行实时监控，～旦温度出现异常，就可以迅速进行处理，预防事故的发生。２００９年初，美国提出了智能电网规划，我国也为了在远距离输电过程中降低传输线损耗，提高传输功率和距离，人们采用了高压、超高压，甚至特高压输电。在高压传输设备中，如高压开关、变压器的某些部位，由于接触松动、材料老化、接触面不洁等多方面原因，有可能会导致该部位发热升温，若。收稿日期：２００９年８月１３日，修回日期：２００９年９月１１日作者简介：陈雁冰，男，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统、网络通信。陈忠辉，男，副教授，研究方向：通信系统、程控交换技术等。陈新，男，教授，研究方向：通信工程、模式识别、生物医学电子学等。万方数据１９４陈雁冰等：高压设备无线温度监控系统的设计第３７卷于２００９年５月份开始了智能电网的研究。智能电网主要特征之一就是具有自愈能力。数字化的温度监控系统对于智能电网就显得尤为重要，它可以提供电网关键部位的温度数据，为电网的智能调度和反应提供判断依据，从而保障电网的安全运行。由于高压设备周围存在感应电场，任何导体只要不平行于同—个等势面，就会产生感应电动势。为避免感应电流被引到地面，靠近高压设备的位置不能使用导线进行传输。因此，目前在线测温目前主要有三种基本方案：红外方式、光纤方式、无线方式Ｌ川。红外方式是利用红外热像仪对被测点进行测温，再通过适当的传输方式把数据传送到控制中心。该方式具有非接触、测量过程不易受电磁场干扰的优点。然而，空气中水蒸气和灰尘等杂质的散射、环境的红外背景辐射都会造成干扰，引起测量偏差［２］。此外，在悬空设备的应用场合，红外传感器只能安装在线路旁的杆塔上，与被测点之问不能有遮挡物，镜头必须精确地对准目标，这些要求在安装时较难实现。光纤方式是把光纤光栅温度传感器安装在被测点上，利用光纤光栅的反射波长与环境温度具有线性关系的特性获得数据，再通过光纤把数据传送给测温节点中的控制器。光纤具有高绝缘性能，不受电磁场干扰的优点，且一条光纤可串接多个传感器１３Ｊ。但光缆在布线的时候有很多要求：光缆对接时都要磨光端头，并通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连在一起；布线时不能拉得太紧，也不能形成直角；且光缆的选用上，也必须选用全绝缘介质材料的光缆［４］。此外，在户外条件下，由于处在感应电场中，在雨雪冰霜等气象环境及尘垢作用下，会使光缆表面受到灼伤并形成电痕，加速光缆外壳老化，并可能引发断裂。同时，水滴和尘埃若沾附在光纤外表面也会使其表面导电，存在安全隐患［５｜。无线方式，主要是在每个被测点上安装一个无线收发模块，此模块外接一个或多个温度采集探头测量被测点上的温度，无线模块把采集到的温度数据通过无线通信方式发送给安装在附近的设备。该方法不影响高压输电线路的安全性能，但存在无线通信受导线附近电磁场干扰大、测温模块的电源供给困难、温度采集精度易受高压电场影响等问题。对于这些问题，其解决方向主要是降低设备体积和功耗，优化收发方式并加入纠错编码等。２系统方案由于针对无线方式存在问题所提出的解决方案可行性较高，且实现成本也相对低廉，经过对比，决定采用无线测温方式。该系统主要由多个无线节点、一个监控终端组成。其中，无线节点按功能又可分为传输节点和测温节点，测温节点同时也具备单组数据转发的功能；而传输节点负责数据的接收和汇总并向上一级转发。传输节点中还应有一个总节点，负责无线网络的整体协调，并将其网络中所有测温节点发来的数据进行汇总并通过其他传输方式发送给监控终端。该系统如图１所示。图１无线测温系统示意图该系统属于无线传感器网络（ＷＳＮ）。目前，该领域主流的技术是ＺｉｇＢｅｅ。这是一种以具备休眠功能、低功耗、低成本、低传输速率、低复杂度为目标诞生的一种短距离无线传输协议，它和目前其它几种无线技术的主流低功耗芯片的对比如表１所示［６］。可以看出，ＺｉｇＢｅｅ的功耗最小，通过合理设计，使用两节２７００ｍＡｈ的电池是可以达到２年左右的连续工作时间，比较符合该系统的设计要求，因此本设计采用ＺｉｇＢｅｅ技术进行数据传输。表１几种无线传输方式的性能参数３硬件设计由于在高压环境中工作，需要尽量缩小节点的体积，简化元器件数量，以降低故障率。因此本设计核心部分采用德州仪器（ＴＩ）公司的ＣＣ２４３０芯片。该芯片基于Ｃｈｉｐｃｏｎ公司ＳｍａｒｔＲＦ技术，以万方数据第３７卷（２００９）第１２期计算机与数字工程０．１８９ｍＣＭ（）Ｓ工艺制成，内部包含了一个可工作在３２ＭＨｚ频率下的８０５１微控制器，一个ＺｉｇＢｅｅ射频前端，３２／６４／１２８ＫＢ的可编程闪存和８ＫＢ的ＲＡＭ存储器，只需少量外部元器件就能工作，性能稳定且功耗极低，待机模式下电流在０．３“Ａ以内［７３。３．１测温节点一个测温节点中除了核心芯片ＣＣ２４３０以外，还需要有温度传感器和自带电源。其硬件结构图如图２所示。由于测温节点安装在高压设备附近，因此天线采用ＰＣＢ印刷天线，设计长度约为其发射波长的１／４，即３１ｍｍ左右。ｌ：：：：：：：：：：ｌ＇网霉量…愆１传感器ＩＩ．．．．．．．．．．．．．－ＪｌＲ｛：队并试ｉ司≥介＼一稳压３３ｖＮ！竺ｌ图２测温节点硬件结构框图温度传感器采用美信公司的ＤＳｌ６３１芯片。该芯片是数字输出的温度芯片，采用１２Ｃ接口，提供９～１２位用户可选的采样精度，测温范围为一５５℃至１２５℃，在０。Ｃ～７０℃之间的测量误差在０．５℃以内［８｜。此外，其提供±８０００Ｖ的ＥＳＤ（静电放电）保护［９］，满足该系统的工作环境要求。供电方面，靠近高压设备的节点只能采用电池供电或者互感取电的方式。由于互感取电存在一定的不稳定因素，因此测温节点采用电池供电的方式。由于主芯片的节能特点，一般来说，终端节点在两节ＡＡ电池供电的情况下电池寿命能达到２年左右。这样就可以在对电力设备例行检修的时候进行电池的替换。对于一些安装空间较小的位置，也可考虑采用互感取电的供电方式。３．２传输节点传输节点和测温节点硬件上基本相同。该系统中传输节点包括ＺｉｇＢｅｅ协议中定义的路由器和协调器。由于传输节点的作用是汇集该区域里测温节点的数据并发送给上一级，因此其不但要有较大的数据存储空间，也要连续不问断的工作。为增加存储空间，节点中添加了２４Ｃ系列的ＥＥＰＲＯＭ芯片。该系列芯片功耗低，数据接口同样采用１２Ｃ，最大可提供１Ｍ的存储空间（型号：２４Ｃ１０２４）。而供电方面，由于不能进入休眠模式，因此传输节点无法采用电池供电的方式。安装时，万方数据在保障通信正常的前提下将其尽量远离高压设备并采用外接供电的方式。无线网络结构中位于最上层的是协调器。它负责建立、维护网络和所属网络中各测温节点数据的汇集并向监控中心转发。本设计中，该节点采用工业上通用的Ｒ孓４８５传输协议与作为ＰＣ机的监控端相连。如果监控中心距离该协调器较远（大于１０００米），则可以先将协调器通过ＲＳ－４８５接口发送给一个远距离无线收发终端，如ＧＰＲＳ收发设备，通过该设备再将数据转发到监控中心。４软件设计该系统软件部分包括无线节点的控制程序和监控端计算机的监控软件。软件上需要实现的主要功能有：１）每个节点安装后都能在监控中心的计算机中进行登记和定位；每个节点都有各自固定的ＭＡＣ地址，但在网络通信时使用的是加入网络时随机分配的短地址。为了让监控中心能定位每个建立下属全部节点的短地址和ＭＡＣ地址对应表，并允许人工加入注释，从而实现节点物理位置、逻２）各测温节点每隔一定时间检测一次温度并３）监控中心可对部分或全部节点人工发送某返回当前结果、重新设定自动测温的时间间隔等。４）提供一定的智能预警功能；如根据最近某个区间的温度数据进行分析，当某个位置温度剧烈变化，或突然偏离平均正常温度时进行预警。５）具备一定的网络自愈能力；由于存在干扰，某网络，甚至改变通信频点以恢复通信。此外，若某个中间传输节点出现通信故障，其子节点应能自动搜测温节点的程序流程图如图３（ａ）所示，在加节点的安装位置，组网时需要在监控端的服务器中辑地址、测温数据的一一对应。将数据最终发送到监控终端，并存储在监控中心的数据库中，以备随时调用和查看数据。若温度超过设定的阈值，还应立即进行报警。些命令，如指定某个区域的传感器立即进行测温并些节点有可能会暂时失去通信，这就需要其能搜索索其他可通信的传输节点以保障数据传输的正常。４．１无线节点的软件设计入网络时，先将ＭＡＣ地址等信息发送给控制中心进行注册，之后，除了维护网络，就是进行测温。网络的维护主要是判断网络通信是否正常，若不正常，就需要重新搜索网络。为了节约电能，采用内（ａ）测温节点（ｂ）传输节点图３节点控制程序的流程图ｑ［愀～可统一和共～其乒数据接ｆ『醺黼甲瞵懈永磊面晒蹴㈢－一；燃曦ｒ广——————＝＝＝＝＝＝＝＝习特定指令蝌图４监控端结构图人机交互界面：：：二：：：：：：：：：：二二二：…一…一一…～一…．…Ｌ…一…Ｕ．一ｊ４・２监控端软件设计监控端须建立一个数据库，用以存放节点的对应表和节点的历史温度数据。软件功能框图如图４所不。协调器通过ＲＳ－４８５总线和作为监控端的计算机相连。监控端对协调器转发来的数据进行分类并执行相应的处理：对于新加入的节点的注册信息，监控端应将其加入数据库中的节点列表或进行列表更新，并提醒管理人员对该节点输入安装位置的注释，以标记该节点的安装的物理位置；而对于接收到的测温数据，则存人数据库，并与历史数据一起进行分析，对超过警戒温度值的状况进行报警，对暂时未超过阂值，但剧烈升温或降温的情况提供预警。此外，通过人机交互界面，监控人员可随时查看指定区域节点的当前或历史温度数据，还可以对网络中的节点发送指令。５结语本文设计的测温系统，采用了无线传输的方式，解决了高压设备和低压测量端信号的隔离问题。同时，该系统具有功耗小、成本低、可靠性高以及体积小和易于安装等特点，适用于目前国内现有电网。此外，通过数据共享，智能电网系统也可以进行电网的分析与监控，从而保障电网的正常运行。参考文献［１］李巍，马扶予，卢明．高压输电线路接点温升在线监万方数据第３７卷（２００９）第１２期测系统的设计ＥＪ－１．河南电力，２００７，（３）：１６～１８计算机与数字丁程京航空航天大学出版社，２００８，２：１～３１［７］ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＡｔｉｏｎＴｒｕｅ１９７Ｅ２］何俊．浅谈电力设备红外热测温技术［Ｊ］．中国高新技术企业，２００８，（２４）：１３５～１３６Ｅ３］何志辉．封闭式高压柜内接头发热事故的分析及预防措施Ｉ－ｊ－ｉ．沿海企业与科技，２００８，（１２）：３４～３６［４］胡先志．光纤与光缆技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７，ｌ：２２４～２７７［５］刘明海，崔跃春．ＡＤ＆Ｓ光缆线路的设计与施工ＥＪｌ．农村电气化，２００６，（４）：３６～３９Ｅ６］吕治安．ＺｉｇＢｅｅ网络原理与应用开发［Ｍ］．北京：北Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－Ｃｈｉｐｓｏｌｕ－ｆｏｒ２．４ＧＨｚＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ［ＤＢ／ＯＬ］．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００７．ｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｋｃｏｒｎ／ｄｏｅｓ／ｐｒｏｄ／ｆｏｌｄ—ｅｒｓ／ｐｒｉｎｔ／ｃｃ２４３０．ｈｔｍｌｒ８］ＤａｌｌａｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ＤａｔａＳｈｅｅｔｏｆＤＳｌ６３１／ＤＳｌ６３１Ａ／ＤＳｌ７３１［ＤＢ／ＯＬ］．Ｍａｘｉｍ，２００２．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｘｉｍ－ｉｅ．ｔｏｍ［９］ＫｅｎＷｅｎｄｅＬＤＳｌ６３１（ＲｅｖＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹＲＥＰＯＲＴＦ（）ＲＡ４）ＪＲ］．ＤａｌｌａｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，２００３出乔出乔也乔世钸出ｉ池乔出希出尔出乖趟５乖÷１５不出秘１５希出希出希出砑ｓ彤乖趟绵女！矫出乔也乔够≈沾霹出芥也乖出尔也开池术出奋世；贫出乖出开鸱厅池乖出币鸱希出乖出带勃斛绵北希出乖出尔出秘绦（上接第１４６页）方向上还是非纹线方向上，分别在它的８个方向上求方差，这８个方向上的方差就相差ｑＥ４，。如果一个指纹图像纹线很清晰，这８个方向上的方差就很大。质量测评方法有这很高的准确性，成功率在９３％以上。表２质量测评测试结果瓣糕群群寨耩群＃图４图像的量化方向Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ参考文献［１］ＫＡＮＡＯＫＡＴ，ＷＡＴＡＮＡＢＥＭＯｎａｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎａｇｅｑｕａｌｉｔｙｕｓｉｎｇｔｈｅａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８９，Ｅ７２－Ｅ（６）：６８９～７０１ＣＨＥＮＳ［２］ＲＡＴＨＳＮＫＹ，ＪＡＮＡＫ．ＡｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗＯ—综合上面的两种性质，可以判断出每一个小图像块的方向是不是比较模糊，并根据方向模糊图像块的面积占前景区域总面积的比率就可以判断指纹图像的纹线是否清晰。５）质量分数综合测评将面积、位置、干燥度、潮湿度、方向场模糊５个质量分数综合起来来测评一幅指纹图像的质量。５ｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｉｎｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｍａｇｅｓ［Ｊ］．ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，１９９５，２８（１１）：１６５７～１６７２［３］ＬＮＨ，ＷＡＮＧＹＦ，Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｍａｇｅｅｎｈａｎｃｅ—ｍｅｎｔＡａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰＡＭＡＩ１９９８，２０（８）：７７７～７８９Ｅ４］任群．张晓鹏．田捷．指纹图像质量自动评测方法［ｃ］．第６届国际青年计算机工作者会议论文集．杭州，２００１：１４～１６结语ｔｉｏｎｓ［５］ＩｎｔｅｒｉｍＩＡＦＩＳｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｍａｇｅｑｕａｌｉｔｙｓｐｅｃｉｆｉｃａ—ｆｏｒｓｃａｎｎｅｒｓ［ｓ］．ＣＪＩＳ－ＲＳ－（Ｘ），ＡｐｐｅｎｄＣＪＩＳ，１９９８本文根据现有的指纹图像采集细则，在对影响指纹图像质量的因素进行分析的基础上，将面积、位置、干燥度、潮湿度、方向场模糊综合起来测评指纹图像的质量。本文所提出的测评方法用以在第一时问过滤低质量的指纹图像，为后续的预处理提供较好的指纹图像。实验结果证明本文所提出的［６］赵衍运，蔡安妮．指纹图像质量分析ＥＪ］．计算机辅助设计与图形学，２００６，１１８（１５）［７］张宏林．Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋数字图像模式识别技术及工程实践［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００８［８］胡春风．指纹纹路方向计算与指纹分割的研究［Ｄ］．长沙：国防科技大学硕士论文，２００５万方数据
