基于无线传感器的变电设备监测系统设计

曲娜，等：基于无线传感器的变电设备监测系统设计　科教论坛　基于无线传感器的变电设备监测系统设计　曲娜，程凤芹，王鹤达　（吉林建筑大学城建学院，吉林长春１３０１１４）　［摘要］根据现代设施电力环境监测的需求，设计了一种监测环境温湿度等变量的无线传感器网络系统，其中讲述了电　力环境监测系统的系统结构和无线传感器网络节点的硬件设计和软件程序的设计实现。系统将高效、迅速、可靠测定监测目　标地区的温湿度及光照等与电力生产有关的数据。该系统使用为低功耗设计，可实时对设施电力环境变量的进行远程监测，　较好地处置了过去人们熟知的专业测定监控所用系统只能储存有限资料，并且无法实现移动测定等困难，为精确、移动甚至　实时测定电力环境提供更加高效的解决办法。　［关键词］无线传感；环境；监测；单片机；温湿度　［中图分类号］ＴＰ３９１　［文献标识码］Ａ　１　引言　微机电体系以及耗能水平较低，但是集成度很高的电子原　件的产出、优化，使得根据不同节点需要配置型式功能不同的　传感装置变成可能，继而构成了无线传感器网络（ＷＳＮ）。　ＷＳＮ是关于创新应用领域的新兴起的概念以及技术。大多是用　在战场上的监视、大量的监测环境和跟踪区域范畴更大的目标　２．２　系统硬件设计　２．２．１上位机系统ＦＦＲ２０００设计。无线收发一体的ＭＯＤＥＭ数传　模块，以及芯片ＰＴＲ２０００具有较优越的性能，在行业内处于领　先地位，这一模块的最突出特征莫过于不需要太多外围器件，　所以设计起来相当便利。这一模板块从其内部构成接收频段较　高、ＰＬＬ合成、调制／解调ＦＳＫ、参量／功率放大、切换频道等　诸多功能，其集成程度较高。ＰＴＲ２０００的主要特征有：　（１）器件整合了收取信息和发射信息两个功能；　（２）工作频率是全球通行的数传频段４３３ＭＨＺ；　（３崦用ＦＳＫ调制／解调，能够直接导人数据，并完成输人／出，　具备很强的抵抗干扰水平，尤其适于工业管控；　（４）运用ＤＤＳ＋ＰＬＬ频率合成科技，所以频次较为稳定；　（５）灵敏度很高，最高能够达到一１０５ｂＢｍ；　（６）只需加载２．７Ｖ即可正常运行，耗能水平很低，待机时电　流只有８　Ａ大；　等。传感科技和对应网络早巳变成人们十分注重的研究趋向。　由于这一网络中的大部分节点多数用电源供电，作业环境一般　比较艰苦，总量很大，替换十分困难。　因此，耗能水平较低是这一网络设计中极其关键的标准。　对硬件和软件等全部架构体系进行持续更新优化，才能够保证　系统安全，使用更长时间。因此，在无线传感装置变得愈发常　见的当下，在确保传感功能和性能的同时，还可以保证耗能水　平降低到一定水准具有相当现实和理论要义。　２　总体方案及硬件设计　２．１　总体方案　（７）可以提供两个通信交流频道，可用于多频道交流；　（８）工作速率最大可以达到２０ｋｂｉｄｓ（还能够在低速如　９６００ｂｐｓ情况下正常运作）；　（９　积极其微小，仅有４０ｍｍ×２７ｒａｍ×５ｒａｍ大小；　能够通过串口直接联通ＭＣＵ（如８０３１），还能够经由　系统主要分成电源系统、上／下位机系统等部分，其中电源　系统有ＬＭ７８０５，５号ＡＡ电池（四节）、ｉＯＫ电阻（一个）。　上位机系统主要有ＦＦＲ２０００收发，ＭＡＸ２３２，以及ＰＣ三个部分。　下位机系统主要有ＰＴＲ２０００收发（无线）芯片，传感获取温／　ＭＡＸ２３２联通计算机，软件编程十分便利；　】）标准化ＤＩＲ引脚距离更适于嵌入式装备。　因为本设计发生信号所用功率水平很低、收取信息十分灵　敏，所以运用系统时并不需要专门提出许可申请，而且在开阔　区域范畴内最远能够覆盖１０００ｍ。　湿度的ＳＨＴ１１传感装置、获取光照数据的ＴＳＬ２５６１传感装置，　单片机ＡＴ８９Ｓ５２。　２．２．２微处理器模块设计。ＡＴ８９Ｓ５２具有低功耗且性能极高的　ＣＭＯＳ８位微控制器，配备了８Ｋ可编程的Ｆｌａｓｈ存储器。采用　Ａｔｍｅｌ公司的制造技术来进行生产，整个生产过程精度非常高并　且能够保证生产出的存储器具有很高的可靠性，能够很好的兼　图１　总体设计系统框图　容工业８０Ｃ５１产品指令与引脚。片上Ｆｌａｓｈ允许程序存储器能够　［收稿日期］２０１６—０９—２１　［基金项目】吉林建筑大学城建学院２０１４年院级重点科研项目院科字［２０１４】第００４号。　［作者简介］曲娜（１９８２一），女，硕士，讲师，主要研究方向：电子技术及应用。　－２９１—　科教论坛　进行编程，并且兼容于常规编程器。该芯片配置有８位ＣＰＵ与　能够进行编程的Ｆｌａｓｈ，使得ＡＴ８９Ｓ５２在众多嵌入式控制应用系　统中得到广泛应用。　２．３温湿度传感器ＳＨＴ１１设计　ＳＨＴ１１为最新的一款数字式温湿度传感器芯片。这一芯片　通常使用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。其　主要特点是：　（１）高集成度，该芯片将温度感测、湿度感测、信号变换、　Ａ／Ｄ转换以及加热器等功能都集于一身；　（２）可以使用ＳＣＫ与ＤＡＴＡ两种串行端口，并且接口很简单，　芯片能够使用ＥＲＥ传输校验，在传输的可靠性方面有了极大的　提高；　（３）通过ＭＤ转换器，能够对精准度进行调节；　（４）该芯片的测量精度非常的高，不仅仅能够测量温度与湿　度，同时化能够对温度与湿度进行补偿，保证测量的准确性；　（５）封装尺寸非常的小，而且智能化程度很高，在工作结束　之后能够切换至低耗能状态；　（６）芯片使用了ＣＭＯＳｅｎｓ制作工艺，具有非常高的可靠性，　在进行测量时整个探测头部能够浸入到水里。　ＳＨＴ１　ｌ温湿度传感器使用ＳＭＤ表面贴片的形式来进行封装，　芯片的接口很简单，图２所示为芯片的引脚名称与排列顺序。　ＮＣ　ＶＣ℃　ＮＣ　ＳＤＡ　ＮＣ　ＳＣＫ　ＮＣ　ＧＮＤ　ＳＨ’ＦＩｌ　图２　ＳＨＴ１１引脚图　通过研究我们将引脚的具体功能总结为以下几点：　脚１和４分别为信号和电源，一般情况下电压值处于　２．４—５．５Ｖ；脚２和脚３表示的是二线串行数字接口，ＤＡ—ＴＡ　代表的是数据线，ＳＣＫ代表的是时钟线；脚５～８并没有连接　到电路中。　２．４光照传感器ＴＳＬ２５６１设计　ＴＳＬ２５６１这种芯片运行速度快、功率消耗比较低、而且转化　比较灵活，已经被应用到很多领域，尤其是显示屏的监控。设　计时的主要的目的在于处于光线多变的环境下，保证显示屏亮　度的前提下，最大限度的降低能量的损耗。除此之外，经常应　用在安全照明、街道灯光控制等。　ＴＳＬ２５６１可以利用Ｉ２Ｃ总线访问，因此对于硬件接口电路并　没有很高的要求。如果我们确定的微控制器本身自带Ｉ２Ｃ的总　线控制器，那么其上的数据线和时钟线与ＴＳＬ２５６１中的数据线　和时钟线直接连接在一起；如果微控制器不存在上拉电阻，那　－２９２－　农村经济与科技２０１６年第２７卷第２１期（总第３４１期）　么必须额外使用两个上拉电阻达到连接的目的。如果微控制器　中没有设置Ｉ２Ｃ总线控制器，那么对于时钟线和数据线的连接　也没有特殊的要求。不过要保证编程过程中随时访问ＴＳＬ２５６１。　３软件设计　单片机初始状态时要保证无线数据传输模块为接受状态，　按照接受指令的有关要求来收集数据并且开始发送。发送之间　首先要将ＰＴＲ２０００模块设置为发射状态，然后停留一段时间以　后发送。当发送完成以后，从新将ＰＴＲ２０００设定为接受状态。　图３表示的是系统软件设计流程图。　图３　单片机ＰＴＲ２０００无线传输流程图　４　总结　最近几年，无线传感器网络逐渐兴起，在生态监控和环境　检测领域应用越来越多，尤其是外界环境比较恶劣时，克服了　传统技术没有办法解决的难题。此次设计过程中，我们将无线　传感器网络技术应用在电力环境监控上，准确的收集有关信息，　完成此次设计的目标。该系统最大的特点为组建简单方便，初　期成本较低，灵活性较强。对于现代化的电力生产管理有很大　的帮助，提高了生产的效力。　【参考文献】　【１］华邦．ＡＴ８９Ｓ５２的单片机资料［Ｊ］．单片机应用技术，２００６（２３）．　［２】贾伯年，俞朴．传感器技术［ＭＪ．南京：东南大学出版社，２０００．　［３］何希才．传感器及其应用电路［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００１．　【４】曲娜．基于物联网技术的变电设备智能测温系统设计［Ｊ］．电子技术与　软件工程．２０１５（８）．