基于zigbee和GSM技术输电线路杆塔倾斜监测系统的研究

[摘要]本文主要探讨了基于zigbee和gsm技术输电线路杆塔倾斜监测系统。

[关键词]输电线路杆塔倾斜监测系统　zigbee和GSM技术

一、选题背景及其意义

随着科技进步及工农业的现代化发展，用电量大幅上升，对电网供电安全性、可靠性提出了越来越高的要求。架空高压输电线路是电力系统的动脉，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益。目前我国对线路等的检测经验还较少，还没有相应的国家标准。另外随着近年来煤矿的大量开采造成形态各异的地下采空区，引起地面沉降、断裂等一系列工程地质灾害，这些采空塌陷区，大多分布广，延伸远，可造成地表输电线路基础倾斜、开裂、杆塔变形、倾倒，引起绝缘子串和地线线夹迈步，电气安全距离不够等问题，当问题扩大时容易造成倒杆断线，电气距离不够引起跳闸等事故。严重威胁输电线路的安全运行。

本论文设计的输电线路杆塔倾斜监测系统，在杆塔发生异常时，能够及时向管理中心汇报相关数据。该系统对于处在采空区的线路杆塔可以进行全天候的监测，能够及时准确的测量由于地面沉降等原因造成的杆塔倾斜角度，当杆塔顺线路或横线路倾斜角度超过预定报警值时，系统可发出报警信息，使工作人员能够及时处理危情，并且大大的减少了人工的巡视次数，提高了杆塔的安全系数。

二、国内外研究动态

近年来，随着经济的发展和社会的进步，越来越多基于网络化、模块化、智能化的系统应用在电网中。但目前我国电网智能化仅处于刚刚起步的阶段，尤其在运行状态检测环节上，和世界上先进发达国家的技术还有较大的差距。同时铁搭运行状态的稳定，是输电环节中的重中之重，因此应研究一套较为合理的杆塔运行状态监控系统，来保证输电环节的稳定。

目前国内已涉及线路监测系统的研究，例如高压输电线路绝缘子带电检测、杆塔故障在线监测、杆塔倾斜测量等。国外在这方面也有较多的研究。该系统采用移动通信网络作为数据传送媒介，为系统的数据传输提供更加简捷、便利的手段。

三、主要研究内容

本论文主要研究杆塔倾斜测量技术，传输线路周围的温度、湿度、气候检测，无线网络数据远程通讯方面的研究。

本文研究的主要内容如下：1、分析研究了倾角传感器的工作原理、GSM技术的工作原理，制定了监测仪设计的硬件和软件总体流程。2、根据监测仪设计方案，选择了该设计中的主要器件。包括倾角传感器的选择、GSM通信模块的选择、太阳能蓄电池的选择等。充分体现了监测仪设计中低成本和低功耗的要求。3、设计了硬件电路，包括微控制器ATmega64A的最小系统、电源电路、通信电路、电压电流转换电路等。4、实现了软件设计，包括系统初始化、A／D信号采集部分程序、按键中断程序等。5、在整体设计中，采取软件和硬件的方式，增强监测仪的抗干扰性和稳定性。6、通过EMC电磁兼容实验等验证了监测仪的稳定性和可行性。

四、研究方案及难点

整个系统的工作过程为：数据采集主模块根据监控中心设置好的采样间隔，定期产生数据采集命令发送到ZigBee主节点，然后由ZigBee主节点将数据采集命令广播给其他ZigBee子节点，ZigBee子节点再将数据采集命令发送给自己的数据采集模块，数据采集模块接到命令后，开始进行倾角、绝缘子拉力以及风向、风速、电源电压等数据的采集。

采集完成之后再发送给ZigBee模块，然后通过各ZigBee子节点将采集到的数据以接力的方式传送给ZigBee主节点，ZigBee主节点将各数据采集模块采集到的数据发送给数据采集主模块。最后由数据采集主模块将所有数据通过串口发送给GSM模块，由GSM模块将数据通过移动通信网络发送到监控中心的GSM模块，再通过串口发给Pc机后台。最后由Pc机完成数据的处理、存储和显示。

该系统的主要模块功能如下：

1.中央处理器。核心微处理器选用ATmega64A，它是由ATMEL公司推出的一款高性能，低功耗的8位AVR微处理器。最高处理速度可达16MHz，其芯片内部集成了大容量的Flash程序存储区和功能丰富强大的硬件接口电路。先进的RISC结构，拥有130条指令，大部分指令执行时间为单个时钟周期。

2.定时时钟模块。实时时钟芯片选用Philips公司生产的串行日历时钟芯片PCF8583.该芯片供电电压范围宽、功耗小、计时准确。

3.数据采集模块。在输电线路杆塔的运行时，数据采集模块主要进行杆塔倾角数据、绝缘子拉力数据以及风向、风速、气温、湿度，电源电压数据的采集。数据采集模块为分层次设计，有主辅之分，主模块除了在完成上述功能以外，还负责将产生的数据采集命令，以及各个节点数据的打包、处理、发送。

4.ZigBee模块。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。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。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

5.GSM模块。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，它是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。

6.监控中心。包括GSM接收模块和后台管理软件，主要完成杆塔运行状态的实时显示、数据存储以及对于数据采集模块参数的控制。

7.电源模块。本系统包括太阳能电池板和蓄电池，主要为数据采集模块、ZigBee模块和GSM模块提供电能。

8.设计环境。硬件电路以Protel99SE(sP6)为环境进行设计，机械相关的设计以AutoCAD2006为环境进行；软件用c语言编写。

本设计中的杆塔倾角监测系统实现了低成本、低功耗，并采取zigbee及GSM无线通信的技术，实现倾角监测仪与杆塔监控中心的通信。

难点预计出现在倾角计算及程序的设计，再有系统的通信链路的安全，可靠；数据库的安全，主要是权限管理和数据备份。

五、预期成果和可能的创新点

文章论述的铁塔倾斜实时监测系统测量精度高、实时性好、运行成本低。该系统在实际运行过程中拥有较强的可靠性、稳定性具备在恶劣的环境下持续正常工作的能力，保证较长的使用寿命；系统进行操作时，无需记忆复杂的工作指令，应具有美观有好的人机界面；工作人员可以远程对系统进行控制、管理、维护，无需人员到现场。系统通过对塔身状态信息的综合在线监测，实现了倾角状态的全记录并起到预警，告警的功能便于提前采取有效措施，确保电网及通信网络的安全运行。从实际运行结果看系统是一种有效的监测铁塔倾斜的系统，有广阔的应用前景。创新点：为了以后对本系统的功能进行扩展，系统预留一些模拟量输入接口；通讯方式的扩展，支持短信息。

参考文献：

[1]刘君华.现代检测技术与测试监测仪设计[M]西安：西安交通大学出版社，2001

[2]徐科军.传感器与检测技术[M]北京：电子工业出版社，2004

[3]王田苗.嵌入式监测仪设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2002