基于無人機(jī)的變電站運行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

魏新港 田立國 王岳松 黃曉川

摘 要針對當(dāng)前變電站內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測與報警問題，本項目提出一種基于無人機(jī)的變電站環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測及設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)測變電站及設(shè)備內(nèi)的溫濕度、噪音、煙霧等環(huán)境質(zhì)量參數(shù)信息，并通過顯示裝置將數(shù)據(jù)顯示出來，也可通過操作無人機(jī)在事故多發(fā)點和不易監(jiān)測的位置進(jìn)行巡視，再通過ZigBee無線技術(shù)將所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室的PC機(jī)上進(jìn)行實時監(jiān)測、存儲與分析，并通過數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)云端，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有異常的參數(shù)，則及時發(fā)出警報，監(jiān)控人員則會立即采取措施，針對突發(fā)情況，迅速找到原因，排除險情，防止變電站系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備及供電線路損壞；本系統(tǒng)的應(yīng)用為變電站的監(jiān)測與維護(hù)具有重大意義。

【關(guān)鍵詞】變電站 環(huán)境監(jiān)測 預(yù)防報警 Zigbee 無人機(jī)

1 引言

居民區(qū)變電站作為電網(wǎng)為居民供電的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其可靠性直接關(guān)系到國計民生和社會安全穩(wěn)定。隨著國家對智能電網(wǎng)的大力建設(shè)，如何保證眾多位置分散的變電站處于正常運行狀態(tài)，提高其運行的可靠性和自動化程度，是建設(shè)堅強(qiáng)配智能電網(wǎng)需要深入研究的重要課題之一。

針對上述問題，本文提出并設(shè)計了一種基于無人機(jī)的變電站運行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過無人機(jī)技術(shù)實現(xiàn)實時視頻回傳，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)收集主節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、顯示以及預(yù)防報警，從而為變電站的正常運行提供保障。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

基于無人機(jī)的變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體包括三大部分：

數(shù)據(jù)采集從節(jié)點部分、數(shù)據(jù)收集主節(jié)點部分、無人機(jī)部分。

（1）為了提高檢測的可靠性和裝置的可靠性，數(shù)據(jù)采集從節(jié)點部分的傳感器擬采用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器以及TN901紅外測溫傳感器

（2）數(shù)據(jù)收集主節(jié)點部分主要用于對各個從節(jié)點以及無人機(jī)部分的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、顯示以及云端上傳和預(yù)防報警。

（3）無人機(jī)部分主要用于對一些危險的、不易監(jiān)測到的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，以及在一些惡劣天氣情況下使用?？梢云鸬揭粋€降低人工巡查危險性、監(jiān)測不易監(jiān)測位置的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集從節(jié)點、數(shù)據(jù)收集主節(jié)點以及無人機(jī)三部分：數(shù)據(jù)采集從節(jié)點通過自身攜帶的傳感器對變電站內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；無人機(jī)則通過攝像頭將采集到的實時視頻畫面進(jìn)行回傳。數(shù)據(jù)收集主節(jié)點用于將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、顯示，以及利用聲光和語音實現(xiàn)報警，其系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖如圖2所示。

2.1 控制模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集從節(jié)點和數(shù)據(jù)收集主節(jié)點的核心控制模塊均采用ARM處理器STM32F103C8T6，該處理器內(nèi)設(shè)多個I/O端口、多種通信方式，具有高性能、低成本、低功耗的特點。

2.2 環(huán)境檢測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器以及TN901紅外測溫傳感器。

（1）DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有體積小、功耗低、精度高、抗干擾性強(qiáng)、品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點。

（2）煙感傳感器的通過對空氣中煙霧對離子的吸附能力來采集信號的。在信號產(chǎn)生后，要對其進(jìn)行濾波處理后才能進(jìn)行采集，采用二階濾波電路對信號進(jìn)行優(yōu)化，最后輸入至處理器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到可以利用的數(shù)字信號。

（3）噪音傳感器可以檢測周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度，靈敏度可調(diào)，比較器輸出，信號干凈，波形好，驅(qū)動能力強(qiáng)，超過15mA。工作電壓3.3V-5V，設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝，對聲音感應(yīng)強(qiáng)，測量準(zhǔn)確。

（4）TN901紅外溫度計模塊采用溫度補(bǔ)償技術(shù)可以準(zhǔn)確的測量出環(huán)境溫度?？梢猿惺?0℃的熱沖擊。擅長在寬范圍溫度變化環(huán)境中保持精度。校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的序列號保存在模塊上EEPROM內(nèi)。

2.3 ZigBee無線通信模塊

為了實現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離通信傳輸，系統(tǒng)采用ZigBee無線模塊構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，用于環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸與接收。系統(tǒng)部署多個無線通信模塊，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的通信，具有通信穩(wěn)定、成本低、功耗低等優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息采集、傳輸、顯示和報警功能，通過各個從節(jié)點對環(huán)境信息的采集，再采用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的傳輸，以及無人機(jī)的視頻采集回傳。最后由主節(jié)點實現(xiàn)信息整合、顯示及報警功能，整個系統(tǒng)軟件功能流程如圖3所示。

3.1 PC機(jī)

系統(tǒng)的PC機(jī)采用Labview編寫，生成exe文件以供使用。PC機(jī)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、顯示、儲存、讀取以及數(shù)據(jù)下發(fā)等功能，PC端監(jiān)控中心如圖4所示。

（1）數(shù)據(jù)的收集主要是對發(fā)送到主機(jī)上的各段數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷是否為正確數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的來源，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分類。

（2）數(shù)據(jù)的顯示主要是對接收到的數(shù)據(jù)在分類后通過顯示控件進(jìn)行顯示。會顯示不同節(jié)點的溫度、濕度、煙霧值以及噪聲值。

（3）數(shù)據(jù)的存儲是將已接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、記錄，方便以后查看。存儲后，數(shù)據(jù)會被保存到指定的EXCELL表格中。

（4）數(shù)據(jù)的讀取是讀取接收過的存儲在電腦上的數(shù)據(jù)。讀取相應(yīng)的EXCELL表格，數(shù)據(jù)會通過表格以及圖表的形式顯示出來，以供查看。

（5）數(shù)據(jù)的下發(fā)是指通過PC機(jī)向從節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)指令，排風(fēng)扇的開關(guān)、燈光的開關(guān)都可以通過PC機(jī)上的按鈕進(jìn)行控制。

3.2 云端

云端的使用同樣是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、儲存、讀取和指令的下發(fā)。不過云端可以使監(jiān)管人員隨時隨地對數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時查看，對變電站進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控和操作，同時也方便了數(shù)據(jù)的存儲和存儲空間的節(jié)約。

3.3 無人機(jī)監(jiān)控

無人機(jī)采集到的圖像經(jīng)回傳后可以通過手機(jī)和電腦進(jìn)行查看，方便監(jiān)管人員對無人機(jī)的操控以及對危險環(huán) 境的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于無人機(jī)的變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，綜合運用嵌入式、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)等技術(shù)實現(xiàn)變電站內(nèi)的環(huán)境和設(shè)施的監(jiān)測、保護(hù)。

本系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，充分利用ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)變電站內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和預(yù)防報警的應(yīng)用需求，拓展能力好，可以有效的節(jié)約能源，具有實際推廣和應(yīng)用價值，擁有極大的市場前景。

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作者單位

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市 300222