CN201654168U

CN201654168U - 应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置

Info

Publication number: CN201654168U
Application number: CN2010201413297U
Authority: CN
Inventors: 黄新波; 黄官宝
Original assignee: Xian Polytechnic University
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2020-03-26

Abstract

本实用新型公开的一种应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，包括杆塔监测分机，杆塔监测分机上安装有无线传感器网络协调器节点，无线传感器网络协调器节点组建的无线传感器网络中有无线传感器网络路由器节点及无线传感器网络终端节点。本实用新型应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，采用无线ZigBee技术，通过建立无线传感器网络实时/定时采集输电线路导线上各监测点处三个方向的位移加速度值、两个方向的角度值以及温度值，实现了对输电线路导线状态的直接、高效、低成本的监测。

Description

应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置

技术领域

本实用新型属于输变电设备状态在线监测技术领域，涉及一种输电线路导线状态在线监测装置，具体涉及一种应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置。

背景技术

无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是指大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息并报告给相关用户，它具有支持ZigBee网络协议、组网灵活、配置快捷、网络自动恢复能力、感知数据流巨大、双向传送数据和控制命令、可快速部署、无人值守、功耗低、成本低等优点。

无线传感器网络是基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的，无线传感器网络集传感器、执行器、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。

尽管无线传感器网络的技术特点也决定了其面临着通信能力有限、电源能量有限、计算存储能力有限、受限的无线传输带宽、安全性较差等挑战，目前无线传感器网络在温湿度监控、压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、工业监控、楼宇自动化、数据中心、制冷监控、设备监控、社区安防、环境数据检测、仓库货物监控等方面得到了广泛的应用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，通过在输电线路导线上布置无线传感器网络，实时采集导线的状态信息（导线监测点处的温度、位移加速度、角度等），从而实现对输电线路导线状态的实时监测。

本实用新型所采用的技术方案是，一种应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，包括杆塔监测分机，杆塔监测分机上安装有无线传感器网络协调器节点，无线传感器网络协调器节点组建无线传感器网络，无线网络中还有无线传感器网络路由器节点及无线传感器网络终端节点。

本实用新型的特点还在于，

其中的杆塔监测分机设置有两个或两个以上，每个杆塔监测分机上安装有无线传感器网络协调器节点，无线传感器网络中有无线传感器网络路由器节点及无线传感器网络终端节点。

其中的无线传感器网络路由器节点，包括无线ZigBee模块，无线ZigBee模块上分别连接有三轴加速度传感器、角度传感器及温度传感器。

其中的无线传感器网络终端节点，包括无线ZigBee模块，无线ZigBee模块上分别连接有三轴加速度传感器、角度传感器及温度传感器。

本实用新型在线监测装置的有益效果是，

（1）首次在输电线路导线状态监测中采用无线传感器网络，实现了对输电线路导线状态的全方位、多参量监测，大大提高了监测的精度。

（2）采用无线ZigBee技术，通过ZigBee节点方便地组网，实现了低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远的无线传感器网络。

（3）基于无线射频芯片CC2430设计标准的无线ZigBee传输模块，整个无线ZigBee模块接口电路采用两排12脚标准的排针, 将CC2430单片机所有的21个IO引脚以及电源引脚、复位引脚全部引出，在应用中就可以根据实际情况进行相应的IO功能定义, 大大增强了无线ZigBee模块的通用性以及互换性。

（4）基于温度传感器DS18B20、角度传感器CXTA02、加速度传感器ADXL330以及无线ZigBee传输模块，本实用新型设计了一种无线传感器网络节点，包括协调器节点、路由器节点以及终端节点三种类型。

（5）在无线传感器网络节点上成功移植了MSSTATE_LRWPAN协议栈，从而可以组建星形网络以及较为复杂的树状网络。

（6）采用各种低功耗、超低功耗的传感器和无线射频芯片，大大降低了系统的功耗，在保证系统连续、长期、稳定工作的前提下，本实用新型实现了通过两节1.5V干电池给无线传感器网络路由器节点以及终端节点供电。

附图说明

图1是本实用新型在线监测装置一种实施例的结构示意图；

图2是本实用新型在线监测装置中无线传感器网络路由器节点及无线传感器网络终端节点的结构示意图；

图3是本实用新型在线监测装置中无线传感器网络协调器节点的程序流程图；

图4是本实用新型在线监测装置中无线传感器网络路由器节点及无线传感器网络终端节点的程序流程图。

图中，1.杆塔监测分机，2.无线传感器网络协调器节点，3.无线传感器网络路由器节点，4.无线传感器网络终端节点，5.无线单片机，6.三轴加速度传感器，7.角度传感器，8.温度传感器，9.无线ZigBee模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置一种实施例的结构，如图1所示，包括杆塔监测分机1，杆塔监测分机1上安装有无线传感器网络协调器节点2，无线传感器网络协调器节点2组建的无线传感器网络中有多个无线传感器网络路由器节点3及一个无线传感器网络终端节点4，此监测装置可以设置有多组。

无线传感器网络路由器节点3及无线传感器网络终端节点4的结构，如图2所示，包括无线ZigBee模块9，无线ZigBee模块9上分别连接有三轴加速度传感器6、角度传感器7及温度传感器8，无线ZigBee模块9包括无线单片机5，无线单片机5的引脚13、引脚14、引脚15、引脚16、引脚17和引脚18分别与温度传感器8的引脚2、角度传感器7的引脚2、引脚3、三轴加速度传感器6的引脚8、引脚10和引脚12相连接，无线单片机5的引脚44与电容C1串联，电容C1另一端接地，无线单片机5的引脚43与电容C2串联，电容C2另一端接地，引脚44与引脚43之间并联晶振1；无线单片机5的引脚19与电容C5串联，电容C5另一端接地，无线单片机5的引脚21与电容C4串联，电容C4另一端接地；无线单片机5的引脚32分别与电感L2的一端以及印刷板微波传输线的一端相连接，电感L2的另一端与无线单片机5的引脚34相连接，印刷板微波传输线的另一端分别与电感L2的另一端、引脚34以及电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电容C3串联，电容C3与外部天线相连接。其中，三轴加速度传感器6采用三轴加速度传感器ADXL330，温度传感器8采用单总线数字温度传感器DS18B20，角度传感器7采用二维倾角传感器CXTA02。

三轴加速度传感器ADXL330功耗低、灵敏度高，最大测量范围为+/-3g，X轴和Y轴的带宽为0.5～1600Hz，Z轴带宽为0.5～550Hz，可提供模拟电压输出，能测量出任意时刻输电线路导线沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的位移加速度分量。

DS18B20是一种单总线系统的数字温度传感器，仅需要一根线就可以与外部微处理器进行通讯，并且多个DS18B20可以并联在三根线上，实现多点测温。DS18B20可测量温度范围为-55℃～+125℃，转换温度时间小于1s，具有线路简单、体积小、精度高的特点。

CXTA02是一种双轴倾角传感器，它主要采用高稳定性的硅微机械电容倾角传感器，以模拟信号方式输出倾斜角度值，可测量角度范围为-75℃～+75℃，工作电流为4mA，具有高精度、小尺寸、价格低廉、抗恶劣环境、易于安装等优点。

ZigBee射频芯片采用TI公司的低功耗芯片CC2430，工作时的电流损耗为27mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 和25 mA。

ZigBee通信模块基于TI公司的低功耗芯片CC2430，采用了非平衡天线和与其相连接的非平衡变压器。非平衡变压器由电感L1、电感L2和印刷板微波传输线组成，能满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求，为了进一步提高无线传输距离，增加了外部天线，该接收天线由电容C3、电感L3和外部天线接口构成；晶振1、电容C1和电容C2 为无线单片机提供32.768KHz的时钟源；晶振2、电容C4和电容C5为无线单片机提供32M的时钟源。加速度传感器三个方向的加速度输出引脚12、10和8分别接到无线单片机的模拟输入引脚18、17和16上，实现了无线单片机对加速度传感器产生的信号数据的采集，角度传感器两个方向的角度输出引脚2和3分别接到无线单片机的模拟输入引脚15和14，实现了无线单片机对角度传感器产生的信号数据的采集；温度传感器信号引脚2接到无线单片机的普通输入引脚13上，实现了无线单片机对温度传感器产生的信号数据的采集。无线传感器网络协调器节点由杆塔监测分机提供电源，无线传感器网络路由器节点3以及无线传感器网络终端节点4由两节串联的1.5伏电池提供3伏电源。

本实用新型中各个无线传感器网络节点为了降低功耗，上电后就处于睡眠状态（低功耗状态），当接收到主控单元发送的采集传感器值的命令后，即刻从休眠模式转到主动模式，开始采集监测点处输电线路导线三个方向的位移加速度值、两个方向的角度值以及温度值，并将采集的传感器数据发送给主控单元，发送成功后各无线传感器网络节点再次转入低功耗睡眠模式。无线传感器网络协调器节点2的软件流程图如图3所示，无线传感器网络路由器节点3以及无线传感器网络终端节点4的软件流程图如图4所示。

无线传感器网络协调器节点2安装在杆塔监测分机1上，由杆塔监测分机1给其供电，上电后无线传感器网络协调器节点2组建一个低速率的无线传感器网络，并且给成功入网的其他无线传感器网络路由器节点3以及无线传感器网络终端节点4分配一个16位的网内地址；实时、定时给无线网络中的传感器节点发送数据采集命令，同时实时接收网络中无线传感器网络节点发送的数据信息，并将接收的数据信息传送给杆塔监测分机；

无线传感器网络路由器节点3和无线传感器网络终端节点4在成功加入无线传感器网络后，实时响应无线传感器网络协调器节点2发送的数据采集命令，实时、定时采集温度传感器DS18B20、加速度传感器ADXL330以及倾角传感器CXTA02的数据，并向协调器节点发送采集的数据信息。此外路由器节点在整个网络的工作中还起着数据中继传输的作用；

杆塔监测分机1在本实用新型中主要完成对无线传感器网络协调器节点2发送的数据的接收、处理、存储以及数据的转发，同时为无线传感器网络协调器节点2提供稳定的电源；

各无线传感器网络节点都具有独立的控制器和电源，所有的无线传感器网络节点（协调器节点、路由器节点以及终端节点）基于协议栈中的树状路由算法共同组成一个低速率、大数据量的无线传感器网络。

本实用新型的工作过程为：在两个杆塔之间的一段输电线路导线上布置若干个无线传感器网络路由器节点3以及无线传感器网络终端节点4，在杆塔监测分机1上布置一个无线传感器网络协调器节点2，各无线传感器网络节点共同组成树状的无线传感器网络，该传感器网络中，路由器节点和终端节点定时/实时响应协调器节点的指令，发送各自采集的导线状态信息（温度、位移加速度、角度），同时各无线传感器网络路由器节点2还负责该传感器网络中数据的中继传输功能。协调器节点一方面负责整个网络的维护工作，另一方面将接收的数据发送给杆塔监测分机1，进行数据的处理、存储以及转发。

本实用新型应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，采用无线ZigBee技术，通过建立无线传感器网络实时/定时采集输电线路导线上各监测点处三个方向的位移加速度值、两个方向的角度值以及温度值，实现了对输电线路导线状态的直接、高效、低成本的监测。

Claims

1.一种应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，其特征在于，包括杆塔监测分机（1），杆塔监测分机（1）上安装有无线传感器网络协调器节点（2），无线传感器网络协调器节点（2）组建的无线传感器网络中有无线传感器网络路由器节点（3）及无线传感器网络终端节点（4）。

2.根据权利要求1所述的应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，其特征在于，所述的杆塔监测分机（1）设置有两个或两个以上，每个杆塔监测分机（1）上安装有无线传感器网络协调器节点（2），无线传感器网络协调器节点（2）组建的无线传感器网络中有无线传感器网络路由器节点（3）及无线传感器网络终端节点（4）。

3. 根据权利要求1或2所述的应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，其特征在于，所述的无线传感器网络路由器节点（3），包括无线ZigBee模块（9），无线ZigBee模块（9）上分别连接有三轴加速度传感器（6）、角度传感器（7）及温度传感器（8）。

4. 根据权利要求1或2所述的应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置，其特征在于，所述的无线传感器网络终端节点（4），包括无线ZigBee模块（9），无线ZigBee模块（9）上分别连接有三轴加速度传感器（6）、角度传感器（7）及温度传感器（8）。