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摘要：用CC2430/CC2431芯片搭建zigbee无线通信网络，实现无人值守变电站中巡视人员的实时定位。在既有的定位程序中添加报警语句，形成固定区域预警圈。定位与预警功能的结合使变电站状态监测自动化成为可能。
关键词： 无人值守变电站；zigbee；定位；预警
1 项目研究背景
伴随着电力系统自动化水平的提高，变电站的运行调度工作大大减少，但是调度中心仍然无法掌控变电站现场状况，必要的人员定期巡查可以及时发现设备中的异常：设备标签是否清晰可辨、设备内部是否有异常声音等。
但人工巡检的方式难免会发生各种问题：客观上，对于没有设备操作权限的巡检人员，只能对设备外部能看得见的变化判断异常情况，无法完全辨识设备缺陷。操作地点的光线不足可能使操作人员走错间隔、看错铭牌；恶劣环境可能会使变电站设备基础损坏等。主观上，一些巡视人员敷衍了事，不按规定及时到达任务区域检查设备。所以，实现巡视人员的定位和预警保护具有很大的实际意义。通过在工作时间内实时监测人员运动状态，可以检验人员出勤状况；预警功能的实现使人员触及危险区域的可能大大降低，保障了人身安全。
现今变电站主要采用有线方式进行数据传输。如果我们的定位预警系统也采用有线方式，必将给电气设备复杂的变电站网络环境造成负担，并且有线方式成本较高、维护困难。因此我们将选择方向改为近年来发展迅速的无线传感器网络，目前它主要使用的通信协议有蓝牙、WiFi、红外线、zigbee、红外线通信等。由于zigbee具有的低功耗、成本不高、网络容量大、可靠等独特优点，我们最終决定将zigbee技术作为本项目研究最理想的通信标准方案。
2 系统总体框架设计
2.1 系统框架图
整个系统主要由参考节点、移动节点和网关节点组成。
2.2 总体设备概述
2.2.1 硬件部分
参考节点：即4个CC2430模块，它们是已知坐标的节点。参考节点只需要含自己的坐标位置以及信号强度值RSSI的数据包发送给移动节点。
移动节点：CC2431比CC2430只多了一个定位跟踪引擎，依靠硬件定位，根据基于RSSI（接收信号强度指示）的分布式计算和已知参考节点位置准确计算出自身节点位置。
网关节点：又称为协调器，也是CC2430模块。它负责接收由监控软件提供的参考节点和移动节点的配置数据，并且将定位引擎处理后的数据传递给计算机。
2.2.2 软件部分
1）Z-Location Engine 软件：实现实时定位查看、参数修改、节点坐标配置等功能。
2）RSSI算法具体实现：RSSI值为在工作信道上开始接收数据包后，8个符号周期中测得的信号能量平均值，它被转换为一个8 bit二进制数添加到数据包中向上层传输。
3）参数A、n的设置：在实验中选取某个固定位置上，连续采集多个RSSI的平均值作为该位置的RSSI，同时记录相应的距离d0。多次更换位置做相同步骤，测量得到多个距离（d1、d2、d3...）。再根据式RSSI=-（10nlgd+A），就可以计算得出A、n。
2.3 系统实现过程
2.3.1 定位效果的实现
将四个移动节点布置在一个长和宽都不超过100米范围的矩形中。启动网络，终端配置各个参考节点的位置坐标，然后让移动节点加入该网络。在定位范围内开始缓慢移动该节点，同一区域内的参考节点将受到定位节点广播的XY_RSSI请求，并马上应答。每个参考节点将含有自身位置坐标和RSSI值加入到数据包中发送给定位节点，由定位引擎首先计算得到距离d，再根据一定的算法转化为坐标位置XY。定位结果将由经过定位节点和协调器的投递直到终端设备上，最后定位软件Z-Location Engine读取位置坐标，实时地显示相对位置。
整个系统的定位精度在0.5m，误差不大于3m，系统时延低于40ms。
2.3.2 预警效果的实现
只需要在CC2431模块的程序中加入一段新程序，主体思想是划分一部分区域为危险地带，一旦人员进入到该区域时，CC2431的某个I/O引脚变为低电平，使蜂鸣器发出报警信号，通知人员撤离。
3 变电站电磁环境对无线通信的影响及改善方法
变电站环境与我们日常生活环境最大的不同点在于变电站设备在工作状态下会产生一定的电磁场。电磁场的主要来源有：发电机和变压器产生的工频及谐波电磁场；高压隔离关和断路器操作；雷击及系统短路；高压系统的电晕、绝缘子沿面放电及绝缘击穿时产生的局部放电现象等。这些较强电磁场无疑会对无线通信系统产生巨大干扰，导致数据包丢包率增大，信号极易被噪声淹没，甚至通信过程中断。
为了降低电磁场的干扰，可以采用了电磁屏蔽的方法：金属外壳能够吸收与反射一部分的电磁波。给无线通信模块加上金属屏蔽外壳后，如果能达到完全屏蔽将能够大大降低电磁干扰。当然，屏蔽作用是无法彻底排除电磁波对无线信号的干扰的，定位系统的最佳接收范围会比在无干扰的条件下相应减小。
4 总结
在传感器节点数目很大的情况下，对每个节点进行GPS定位是不切实际的，GPS在室内的定位存在不够精确与实时的问题，而我组研究的人员实时定位技术更适宜运用在室内环境下，而且系统定位精度高、稳定性强，成本低廉，实现简单、实时性好、软件系统安装方便，将能克服GPS的一些缺点以及技术上的垄断。
本实验还重点考虑了变电站复杂的电磁环境对无线射频模块CC2430/CC2431的影响，提出了应用于变电站这一独特领域的人员定位系统，用以实时监测巡视人员以及参观人员的移动轨迹。在定位基础上又结合温控监测系统的优势，使故障发生时首先对周边报警，很容易检测判断出其具体的地理位置，促使检修人员迅速处理故障。
变电站是智能电网建设的重要环节之一。基于WSN的无人值守变电站人员定位及预警系统能够实现降低电磁干扰、组网灵活的无线传感器网络方案，充分迎合了智能电网的建设需要。
5 参考文献
[1] 李文仲.段朝玉. Z igBee2006无线网络与无线定位实战[M ]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2008
[2] 李旭彦. 基于Zigbee的无线通信模块射频射频电磁场抗干扰性能研究[D]. 北京：华北电力大学， 2012
[3] 李昊生.王汝传等. 基于CC2431的无线传感器网络节点的设计[J]. 电子工程师， 2008 （12）
作者简介：
邹英杰 女 作者单位：华北电力大学
关键词： 无人值守变电站；zigbee；定位；预警
1 项目研究背景
伴随着电力系统自动化水平的提高，变电站的运行调度工作大大减少，但是调度中心仍然无法掌控变电站现场状况，必要的人员定期巡查可以及时发现设备中的异常：设备标签是否清晰可辨、设备内部是否有异常声音等。
但人工巡检的方式难免会发生各种问题：客观上，对于没有设备操作权限的巡检人员，只能对设备外部能看得见的变化判断异常情况，无法完全辨识设备缺陷。操作地点的光线不足可能使操作人员走错间隔、看错铭牌；恶劣环境可能会使变电站设备基础损坏等。主观上，一些巡视人员敷衍了事，不按规定及时到达任务区域检查设备。所以，实现巡视人员的定位和预警保护具有很大的实际意义。通过在工作时间内实时监测人员运动状态，可以检验人员出勤状况；预警功能的实现使人员触及危险区域的可能大大降低，保障了人身安全。
现今变电站主要采用有线方式进行数据传输。如果我们的定位预警系统也采用有线方式，必将给电气设备复杂的变电站网络环境造成负担，并且有线方式成本较高、维护困难。因此我们将选择方向改为近年来发展迅速的无线传感器网络，目前它主要使用的通信协议有蓝牙、WiFi、红外线、zigbee、红外线通信等。由于zigbee具有的低功耗、成本不高、网络容量大、可靠等独特优点，我们最終决定将zigbee技术作为本项目研究最理想的通信标准方案。
2 系统总体框架设计
2.1 系统框架图
整个系统主要由参考节点、移动节点和网关节点组成。
2.2 总体设备概述
2.2.1 硬件部分
参考节点：即4个CC2430模块，它们是已知坐标的节点。参考节点只需要含自己的坐标位置以及信号强度值RSSI的数据包发送给移动节点。
移动节点：CC2431比CC2430只多了一个定位跟踪引擎，依靠硬件定位，根据基于RSSI（接收信号强度指示）的分布式计算和已知参考节点位置准确计算出自身节点位置。
网关节点：又称为协调器，也是CC2430模块。它负责接收由监控软件提供的参考节点和移动节点的配置数据，并且将定位引擎处理后的数据传递给计算机。
2.2.2 软件部分
1）Z-Location Engine 软件：实现实时定位查看、参数修改、节点坐标配置等功能。
2）RSSI算法具体实现：RSSI值为在工作信道上开始接收数据包后，8个符号周期中测得的信号能量平均值，它被转换为一个8 bit二进制数添加到数据包中向上层传输。
3）参数A、n的设置：在实验中选取某个固定位置上，连续采集多个RSSI的平均值作为该位置的RSSI，同时记录相应的距离d0。多次更换位置做相同步骤，测量得到多个距离（d1、d2、d3...）。再根据式RSSI=-（10nlgd+A），就可以计算得出A、n。
2.3 系统实现过程
2.3.1 定位效果的实现
将四个移动节点布置在一个长和宽都不超过100米范围的矩形中。启动网络，终端配置各个参考节点的位置坐标，然后让移动节点加入该网络。在定位范围内开始缓慢移动该节点，同一区域内的参考节点将受到定位节点广播的XY_RSSI请求，并马上应答。每个参考节点将含有自身位置坐标和RSSI值加入到数据包中发送给定位节点，由定位引擎首先计算得到距离d，再根据一定的算法转化为坐标位置XY。定位结果将由经过定位节点和协调器的投递直到终端设备上，最后定位软件Z-Location Engine读取位置坐标，实时地显示相对位置。
整个系统的定位精度在0.5m，误差不大于3m，系统时延低于40ms。
2.3.2 预警效果的实现
只需要在CC2431模块的程序中加入一段新程序，主体思想是划分一部分区域为危险地带，一旦人员进入到该区域时，CC2431的某个I/O引脚变为低电平，使蜂鸣器发出报警信号，通知人员撤离。
3 变电站电磁环境对无线通信的影响及改善方法
变电站环境与我们日常生活环境最大的不同点在于变电站设备在工作状态下会产生一定的电磁场。电磁场的主要来源有：发电机和变压器产生的工频及谐波电磁场；高压隔离关和断路器操作；雷击及系统短路；高压系统的电晕、绝缘子沿面放电及绝缘击穿时产生的局部放电现象等。这些较强电磁场无疑会对无线通信系统产生巨大干扰，导致数据包丢包率增大，信号极易被噪声淹没，甚至通信过程中断。
为了降低电磁场的干扰，可以采用了电磁屏蔽的方法：金属外壳能够吸收与反射一部分的电磁波。给无线通信模块加上金属屏蔽外壳后，如果能达到完全屏蔽将能够大大降低电磁干扰。当然，屏蔽作用是无法彻底排除电磁波对无线信号的干扰的，定位系统的最佳接收范围会比在无干扰的条件下相应减小。
4 总结
在传感器节点数目很大的情况下，对每个节点进行GPS定位是不切实际的，GPS在室内的定位存在不够精确与实时的问题，而我组研究的人员实时定位技术更适宜运用在室内环境下，而且系统定位精度高、稳定性强，成本低廉，实现简单、实时性好、软件系统安装方便，将能克服GPS的一些缺点以及技术上的垄断。
本实验还重点考虑了变电站复杂的电磁环境对无线射频模块CC2430/CC2431的影响，提出了应用于变电站这一独特领域的人员定位系统，用以实时监测巡视人员以及参观人员的移动轨迹。在定位基础上又结合温控监测系统的优势，使故障发生时首先对周边报警，很容易检测判断出其具体的地理位置，促使检修人员迅速处理故障。
变电站是智能电网建设的重要环节之一。基于WSN的无人值守变电站人员定位及预警系统能够实现降低电磁干扰、组网灵活的无线传感器网络方案，充分迎合了智能电网的建设需要。
5 参考文献
[1] 李文仲.段朝玉. Z igBee2006无线网络与无线定位实战[M ]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2008
[2] 李旭彦. 基于Zigbee的无线通信模块射频射频电磁场抗干扰性能研究[D]. 北京：华北电力大学， 2012
[3] 李昊生.王汝传等. 基于CC2431的无线传感器网络节点的设计[J]. 电子工程师， 2008 （12）
作者简介：
邹英杰 女 作者单位：华北电力大学