分布式数字电视监测（精选7篇）
分布式数字电视监测 篇1
0前言
数字电视监测作为保障网络安全运行、保障节目安全播出的重要手段越来越受到人们的重视。由于有线电视网络采用树型分支分配结构, 若前一级网络出现故障, 所引发的后果将会直接影响到后面每一个网络终端用户。组建分布式的数字电视综合监测系统, 可以加强有线数字电视网络的安全管理, 实现对有线电视网络中各个节点播出信号的实时监测及时了解网络运行情况, 及时准确地报告事故地点、故障类型, 以便进行有效的紧急处理, 将事故影响降低到最低, 确保有线数字电视播出质量和传输安全。下面我们介绍一下“分布式数字电视综合监测系统”, 它是2006年浙江省第一批重大科技专项重点项目, 2009年3月项目通过验收。
1实施方案
1.1系统框图
系统框图如图1所示。
1.分布式数字电视综合监测系统的远端监测设备可以根据需要设置在市、县、小区、乡镇、村等各个监测点。射频端口接入需要监测的数字电视信号。测试数据经以太网接口连接局域网或者经GPRS接口接入电信网络。监听监看信号经光口接入光纤网络。
2.经RJ-45端口传送的数字电视测试数据, 通过当地局域网 (以太网) 接入监测中心的网管系统。
3.经GPRS端口传送的数字电视测试数据, 通过电信系统的通信网络连接到监测中心外网的服务器, 进入本地局域网, 接入监测中心的网管系统。
4.经光接口传输的数字电视信号连接到监测中心前端监测设备的光接口, 经该设备光解调, ASI切换、QAM调制变频器后输出RF信号, RF输出信号的频率与当前网管系统选择的监测点接收频率一致。
5.网管系统通过串口控制前端监测设备内的ASI信号切换功能模块和QAM调制变频模块。
6.数字机顶盒接收来自前端监测设备的RF信号, 输出AV信号接入大屏幕显示器。
1.2系统硬件
系统硬件由远端监测设备、前端监测设备、数字电视机顶盒、大屏幕显示器、VGA信号分频器、监测系统服务器等组成。
1.远端监测设备主要由测试功能模块、以太网接口功能模块、GPRS接口功能模块、TS流转换模块等组成。
1) 测试功能模块:主要由预放、多路衰减、切换、变频、滤波、检波等电路构成。根据输入RF信号的幅度大小, 控制电路切换到相应的衰减器。变频输出的IF信号经过中频组合衰减器、窄带滤波器、变频检波器以及相关隔离、温控等处理电路后, 送至测试功能模块控制器。
2) 以太网接口功能模块。实现串口与以太网接口信号的转换。
3) GPRS接口功能模块。实现串口与GPRS接口信号的转换。
4) TS流转换模块。从远端监测设备中解调出并行TS流信号 (D0—D7) , 以及DVALID、PSYNC、CLK信号, 把并行TS流信号经变换电路转换成符合DVB标准的DVB-ASI串行信号, 再将ASI信号进行光调制, 根据传输距离配置不同的光模块。
2.前端监测设备、数字电视机顶盒、大屏幕显示器、VGA信号分频器、监测系统服务器等组成系统局端监测设备。
1) 前端监测设备主要由光接收转换功能模块、ASI信号切换功能模块、QAM调制变频功能模块等组成。
光接收切换功能模块:接收各个监测点回传的ASI光信号, 经转换电路还原成ASI的电信号。
ASI信号切换功能模块:N×1的ASI切换电路用于选择当前需要监测的信号, 切换功能模块通过串口连接串口集线器。
QAM调制变频功能模块:将选中的ASI信号接入具有ASI信号接口的QAM调制及变频电路, 输出RF信号, 模块通过串口连接到串口集线器。
前端监测设备内的串口集线器一端分别连接ASI信号切换功能模块和QAM调制变频功能模块等, 另一端连接监测系统服务器串口, 由控制软件进行控制。
2) 数字电视机顶盒:采用监测点当地的数字电视机顶盒。
3) 大屏幕显示器:具有AV接口与VGA接口, 可根据需要分别显示回传图像信号与监测数据。
4) VGA信号分频器:将电脑上显示的VGA信号分配输出, 其中一路送大屏幕显示器显示。
1.3系统软件
系统软件由监测系统服务器应用软件、监测系统服务器服务软件、远端监测设备控制软件、局域网服务器配置软件四部分组成。
1.监测系统服务器应用软件主要任务是完成人机交互界面, 采用资源管理器设计方案, 分五层应用界面。
1) 第一层界面:该层为软件主界面。以服务器图标为中心, 显示有线电视前端、有线以太网监测点、无线以太网 (如移动GPRS) 监测点、有线专用网 (如光纤网) 监测点, 动态显示监测服务器与各监测点之间的数据联络状态。在该界面上可配置各监测点目录下的远端监测设备及相关参数, 不同颜色显示该监测点的工作状态。在该界面状态下, 系统仅查询各监测点的状态信息, 链路通信数据量非常小。该界面如图2所示。
2) 第二层界面:该层为设备类型界面。该界面以拓扑图的方式显示该类型监测点下的所有监测设备图标, 实时显示所有监测设备的状态, 用不同颜色显示连接状态、工作状态等信息。如图3所示, 当设备参数正常时, 设备图标显示为绿色, 当设备参数出错时, 设备图标显示为红色, 当设备参数读取超时时, 设备图标为黄色。
3) 第三层界面:该层为设备轮询界面。该界面通过以条型图的方式用二组坐标实时显示有线电视前端输出信号的频道频谱与被选中监测设备测试到的频道频谱信号, 从二组频谱的动态显示比较, 可直观反映系统的传输质量。在第三层界面上, 可选择频道监听监看等功能。如图4所示, 在图中上方显示的为有线电视前端输出信号的频道频谱, 下方为被选中远端监测设备测试到的频道频谱信号, 其中蓝色条形图为模拟频道图像电平, 绿色为伴音电平, 黄色为数字频道电平信号, 紫色为调频电平信号, 两条虚线为电平正常范围值, 可以通过右键左边树结构设备节点进行设置, 当某频道电平值超出正常范围时, 将会显示为红色条型图。
4) 第四层:该层为设备监听监看界面。该界面主要作用为锁定某设备数字频道, 并轮询测量该频道的MER和BER值。设备频道被锁定后, 将能回传相关频道图像到监视器上进行监听监看。如图5所示, 在界面上方选择频道类型和频道号, 然后输入符号率, 点击查看确认, 如果查看成功, 将锁定设备该频道, 并进入轮询测量MER和BER。如图5就是已成功锁定数字增补29频道, 并获取了MER和BER的测量参数。
5) 第五层:该层为设备测量界面。该界面包括三个子界面, 分别为频道/频率参数测量界面, 斜率测量界面, 频谱测量界面。
频道/频率参数测量界面用于测量某一频道的相关参数。如图6所示, 选择某一频道或频率, 即可读取相关参数。选择模拟频道时, 显示返回的是图像载波电平、伴音载波电平、噪声载波电平, V/A、C/N。选择数字频道时, 显示返回的是功率电平、MER、BER值。选择频率时, 显示返回的是该频率的信号电平。
斜率测量界面主要用于测量多个频道的电平参数, 可直观进行互相比对。如图7所示, 在界面上选择4~12个频道或频率, 然后点击“斜率测量”按钮, 测量成功将会显示返回电平柱状图, 并在界面上方显示最大电平, 最小电平, 和最大最小的差值。点击某柱体还可显示该频道的频道号, 频率和电平。
频谱测量界面主要用于测量一段频道或频率之间的信号情况。如图8所示, 可选择频道扫描或频率扫描2种方式, 频道扫描需双击选择开始频道和结束频道, 频率扫描则在界面上输入开始频率和结束频率以及步进频率。选择完毕后, 单击“扫描”按钮, 即以线型图的方式显示选择范围的电平情况。
监测系统服务器应用软件围绕人机交互界面程序为中心, 由一系列功能模块程序来支持, 这些功能模块大致可分为: (1) 配置模块:主要任务是监测点的监测设备配置、频道表配置、参数有效范围配置、管理员权限配置等。 (2) 报警模块:主要功能是报警信号的处理与保存, 包括短信发送、接收模块、声光报警、处理记录传递等。 (3) 监听监看模块:主要任务是处理QAM调制器的输出频道、机顶盒频道选择、ASI码流切换器控制、视音频切换器控制等。 (4) 日志管理模块。
2.监测系统服务器服务软件 (底层软件) 。该软件的主要任务是完成应用软件与监测设备或上级管理部门的通信联络, 实现数据的编码、解码、打包拆包等工作。
3.远端监测设备控制软件。由主程序、自动调试模块程序、通信模块程序三大部分组成。实现远端监测设备的控制、生产调试、通信联络。
4.局域网服务器配置软件为外来软件, 主要用于监测设备IP的设置和对应服务器IP的设置。
2系统的主要特点
1.采用数字频率锁相、信道射频接收、基带解调解码、计算机控制、自动测量、软件补偿等技术, 实现有线电视网络中任意节点数字电视信号的分布式监测。
2.传统的数字电视监测系统一般都设置在前端机房或分机房, 只监测机房前端的播出信号, 价格昂贵, 很难广泛使用。分布式数字电视综合监测系统成本低廉, 可以同时监测多个需要监测的网络点, 由监测前端设备通过远端监测点对有线数字电视信号技术指标进行全天24小时的自动监测、对数字电视信号进行实时监听监看。监测设备可以把监测参数进行保存, 以便监测中心对有关数据进行后期分析统计和历史数据查询。系统能够自动检测监测点的运行状态, 在监测过程中一旦发现某些指标超过预设定阈值, 能进行声、光报警。其中“数字电视信号远程实时监听监看技术方案”获国家专利。
3.分布式数字电视综合监测系统能自动识别有线电视网络中的数字和模拟电视信号, 并分别测量数字电视信号和模拟电视信号的技术指标。该功能也获国家专利。
4.分布式数字电视综合监测系统把监测前端设计成具有数字电视信号监测报警、数字电视信号质量监测等多种功能模块。数据回传接口、监测系统软件同样实现了模块化设计支持监测点的自由安装/卸载, 可以根据监测系统功能要求进行组合, 为今后的监测系统扩展预留接口。
5.远程监测采用免维护设计, 可无人值守, 所有设置由监测中心完成。监测前端一方面执行固定监测任务, 另一方面也随时接受监测中心的指令执行临时监测任务。系统采用多种网络接口方式, 监测中心与监测点之间的通信线路能够根据实际情况灵活选用, 只要有以太网络或者GPRS网络覆盖的地方, 监测人员都可以通过本系统软件对每一个监测点进行监测。
6.数字电视信号的监测参数存储在各监测点的监测设备里, 平时可以不占用通信线路资源, 需要时才调用。运行成本低, 数据安全性好。
7.监测点状态参数采集采用TCP/IP协议, 开放型的数据库和网络结构能方便地与其它系统 (如各级行政管理部门) 进行数据交换。
8.有严格的客户端操作员权限管理和维护, 完善的日志记录和查询。
3结束语
“分布式数字电视综合监测系统”在2008年10月“第十六届国际传输与覆盖技术研讨会 (ICTC2008) ”上成功展示并已在余杭数字电视公司、萧山数字电视公司进行实际网络运行, 实时监测数字电视的重要技术指标, 并对监测点数字电视信号进行实时监听监看。随着数字电视网络监测和维护的需求不断扩大, 分布式数字电视综合监测系统将会得到越来越广泛的应用。
摘要：本文较为详尽地阐述了分布式数字电视综合监测系统的组成及工作原理, 介绍了监测系统的主要特点和网络管理软件。
关键词：分布式数字电视监测,任意节点,以太网,GPRS
分布式数字电视监测 篇2
目前我省已建成的输气管道干线总长约3 500多公里, 覆盖省内11个地市的81个县区。然而, 随着燃气入户不断增加, 燃气管网的布设也在逐步增多, 导致地下管网变得纷乱错杂, 在日常管道运营中, 频繁受到外界各种入侵事件的影响致使管网事故频发, 其后果多为管道燃气泄漏引发的火灾、爆炸, 直接对人民的生命财产安全造成严重威胁。
传统的长距离运输管道泄漏监测方法主要是基于管内运输介质的温度、流量、压力和管壁完好程度来判断, 但是这些方法普遍存在问题主要有:不能提前或实时对介质泄漏隐患进行预报, 事故发生后难以及时准确判定泄漏的具体位置等。本文针对当前燃气运输过程中存在的问题, 提出了采用分布式光纤传感监测技术在线实时监测管道的运输情况, 准确预测和定位泄漏隐患存在位置, 及时发现处理问题, 确保人民生命安全。
1 分布式光纤传感技术
分布式光纤传感系统能够实现长距离、大范围的连续、实时、长期的在线监测, 也是当今光纤传感技术发展的一个主要方向。另外, 分布式传感系统具有较高的性价比, 使得在大型管道运输工程中广泛研究应用, 光纤传感领域中基于各种散射机理的分布式传感系统是其研究的热点之一[1]。
基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术, 此技术主要以MZ干涉技术为基础, 通过利用双向干涉结果的相对相位, 采用相关的方法取得两者相对时差进行定位。入射激光、光纤耦合器以及传感光纤等的本身特性决定了分布式光纤的灵敏度。在长距离监测应用中, 由于大量噪声引起的相位扰动很大程度上会使监测信号湮没, 相关性大大减弱, 对于这一问题, 针对性的提出先对MZ干涉进行解调, 然后在获取实际相位变化后再进行定位的方法。其原理图如下图1所示。
其基本工作原理为:由1端发出的光, 经耦合器1后分别进入长度基本相同的两根单模光纤中。两根光纤输出的光在第2个耦合器处发生干涉。同样, 由于光路的对称性可知, 在由2端发出的光, 也同样在耦合器1处发生干涉。在传感光纤无扰动前提下, 1端发出的光会在2端产生稳定的干涉条纹。同时, 由2端发出的光也将会在1端产生稳定的干涉条纹。在采用窄带激光作为光源时, 将分别在1端和2端接到稳定的光功率[2]。
2 燃气管道泄漏监测的系统结构及工作原理
针对燃气管网易燃易爆特性, 以及当前管线监测方式多为带电操作、人工监测为主, 该系统基于多种光纤传感技术, 设计复合监测系统, 以解决当前燃气管网安全缺乏有效监测手段的问题, 对燃气管网运行状况进行实时监测, 提高了系统监测精度和准确性。该系统实现了对管线安全的实时监测 (泄漏、管壁形变、温度等的综合监测) , 并通过光纤网络将数据传输反馈终端, 由终端计算机对数据进行分析处理后实现调度中心和重点监测线路同时报警法[3]。其系统结构如图2所示。
基于光干涉原理、拉曼散射原理的光纤传感监测系统, 多种传感技术互补, 实现对燃气管线泄漏全方位监测, 两种方式结合, 减少监测盲区, 为值班人员提供管线安全告警, 极大地降低漏报概率。
3 燃气管道的检漏和定位
基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术, 利用分布式光纤振动传感器获取管道沿线振动信号, 通过信号特征分析及模式识别, 对管道沿线引起振动的事件进行判别。当系统发现管道沿线确有威胁管道安全的异常事件发生时, 立即对发现的异常事件的事发点进行定位帮助, 线路维护人员及时发现燃气管网的窃取、入侵和破坏行为。用三根光纤组成两组MZ干涉仪, 光纤1和2作为振动检测臂, 其有相向传输的两组相干光传播, 并在耦合器和2处发生干涉, 在分别进入探测器1和2, 光纤3作为信号传输臂构成信号传输回路[4]。其定位系统的结构图如图3所示。
由于事件发生的位置到分布式传感器两端探测器的距离不同, 而光波在光纤中的传播速度是一定的, 因此分布式光纤传感器两端的探测器检测到同一事件的时间也不相同, 假设传感器首端和末端的两个探测器检测到同一事件的时间分别为t1和t2, 根据两个探测器检测到同一事件的时间, 计算事件发生位置的原理如图4所示。
因此分布式光纤检测系统单端定位公式可以表示为:
公式中, t1为探测器1感知到振动信号的时间, t2为探测器2感知到振动信号的时间, v为光波在传感器中的传播速度, v=c/n (c为光速, n光纤的折射率) 。
4 现场试验及分析结果
项目开发完成后, 选择一段在建的燃气输送管道进行试验, 光纤布设长度约50 k M, 光缆为缠绕敷设在管道上, 并随同光缆直埋。利用该光缆中的三芯构成MZ干涉原理的燃气管道安全预警系统, 用来对燃气输送管道沿线出现的外物入侵或燃气泄露进行预警和定位。
试验选用人为用铁锹在输送管道上方作业, 对埋设的管道进行挖掘。当挖掘进行到一定深度时, 检测系统进行报警并定位, 试验过程中收集到如下表1的42组数据。
表中挖掘定位的平均值为24 023 m, 定位标准差121 m。
通过上述现场实际测试, 可以得出采用基于MZ干涉技术为基础的光干涉原理长距离分布式光纤管道振动传感技术, 在大约50 k M左右的检测干线上, 能够将定位精度确定在120 m内, 相对精度达到0.24%。通过此试验及其结果分析, 采用分布式光纤振动检测技术, 能够实现50 k M燃气管网输送的无人监测, 实时可靠的对外来入侵事件进行报警和定位, 确保燃气输送安全。
另外, 实验也表明, 该系统工作稳定, 检测灵敏度和定位精度均达到使用要求, 能够推广应用于工程实践。
参考文献
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分布式频谱监测系统研究 篇3
随着技术的发展,各种用频设备充斥于社会的各个角落,空间的电磁环境日趋复杂,对抗日趋激烈。若没有有效的频谱监测设备及系统,各种用频设备必定无法正常工作,为生活和工作带来极大的不便。目前已有的频谱监测系统大多是基于C/S结构,其可实现区域无线电信号的异步监测,但无法实现对于大区域的无线电信号的实时监测,进而也就无法实时的从整体上对区域无线电使用情况进行分析。因此,如何对区域无线电信号进行实时监测与分析的研究越发显得重要。
1 频谱监测系统相关技术研究
1.1 频谱监测系统的功能
在无线电频谱监测过程中,根据监测目的、任务的不同,系统所采用的实现方式、硬件设备(接收机、天线等)都有所不同,其所实现的功能也不尽相同。
下面从监测目的、任务的不同,说明其功能。
(1) 情报侦测。
其主要的目的为电子战支援[1]。利用己方的频谱监测系统对敌方的用频信号进行捕获、分析、解调,从而获取其用频设备的技术参数,进而分析得出其设备功能类型,以及位置信息等。
(2) 频谱监测与管理。
频谱监测与管理主要用于地方各级无委部门,用以监测各种无线电信号,分析其使用情况,打击非法信号,保护合法信号的使用权不受侵害,其目的是更好地使用电磁频谱资源。
(3) 无线电通信服务信号质量保障。
本部分主要针对各无线电信号运营商而言,为了保护其合法利益不受侵害及监测其服务信号覆盖情况而进行的监测。
1.2 频谱监测系统实现模式
现有的频谱监测系统就其内部控制方式而言,主要为基于C/S结构的频谱监测系统及分布式频谱监测系统。
1.2.1 基于C/S结构的频谱监测系统
(1) 概述
基于C/S结构的多站频谱监测系统一般由中心控制站(CSS)和若干个分布于远端监测站组成,如图1所示。中心控制站用于对各个监测站的管理与控制,向各个监测站提出测试指令,同时对监测站返回的结果数据进行分析、处理,完成各种后续的操作(如:频谱显示,数据统计分析等);远端监测站由接收机、监控处理计算机及数据传输终端等组成,主要根据中心控制站下发的指令完成相应的操作,并将接收机返回的数据回传到中心控制站[2]。
(2) 系统特点
基于C/S结构的频谱监测系统一般采用多监测站模式,中心控制站向各个监测站提出服务请求,监测站为中心控制站提供相应的服务,完成各种监测任务,但同一时刻只有一个站点与中心控制站保持连接,各个站点返回的监测数据无法同时回传。
基于C/S结构的多站频谱监测系统由于采用了多个监测站(接收机),其可实现对多点的异步监测,扩展了系统的监测范围,而且在不要求实时的情况下,可通过对各个站点(接收机)返回数据的综合分析(滞后的分析),实现对某一区域无线电信号的综合分析。无线电信号是稍纵即逝的,采用C/S模式的频谱监测系统无法同时从整体上、实时地掌握各个站点所在区域的无线电信号的活动情况,进而无法从整体上实时地给出整个区域的电磁态势情况。而且由于系统只能实现各个站点轮询监测及滞后的分析,其对移动目标的测向定位的准确率较低。
1.2.2 分布式频谱监测系统
(1) 概述
为实现对移动目标的实时、准确定位以及区域电磁态势的实时显示,频谱监测系统必须具备2个基本条件:第一,系统物理组成上实现分布式布站;第二,系统各个站点(接收机)可同步、协调工作。系统若要实现区域电磁态势实时呈现的功能,则必须要求系统中各个站点(接收机)在同一时刻的监测数据能实时回传,否则电磁态势的分析便失去了实时性意义。为此,分布式频谱监测系统应运而生。
(2) 特点
分布式频谱监测系统的物理组成与基于C/S结构的频谱监测系统类似,其实现了分布式布站,只是两者的控制方式不同。分布式频谱监测系统的中心控制站可实时向多个站点提出测试请求,各个站点可实现同步的实时监测及结果数据的实时回传。
现阶段国内各科研单位、公司对分布式频谱监测系统的研究大都处于理论阶段,本文正是在此应用背景下对如何实现一套分布式频谱监测系统及如何实现控制多类型、多台接收机同时进行工作展开研究。近几年随着中间件技术的发展与成熟,为解决此问题提供了途径。
1.2.3 中间件技术
在分布式计算环境中,为了解决分布异构的问题,中间件(Middleware)的概念被提出。中间件处于操作系统和应用系统之间,为顶层应用程序提供统一的编程接口,屏蔽各种平台底层硬件、操作系统和网络通信网络协议的差异[3]。
(1) 中间件的定义
目前中间件的定义有很多,比较有代表性的有为[3]: 国际数据公司(International Data Corporation,IDC)的定义:中间件是一独立的系统软件,于客户机/服务器的操作系统之上,管理计算机资源和网络通信。
(2) 中间件的特点与分类
中间件为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境,帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用程序,是系统内部和系统之间的消息传递处理、格式(协议)转换的工具,通过协议转换它可以为上层应用屏蔽异构平台的差异。分布式应用系统借助这种软件的特点实现在不同的技术之间共享资源,将不同平台上的众多应用整合在一起。
2 基于中间件的分布式电磁环境监测系统
通过上一节对中间件相关技术的分析可以看出,有了中间件,客户机和服务器都不需再关心通信细节,当客户机想要调用服务器上的一个操作时,它只用发出自己的请求,至于具体实现细节它不必关心,这一切留给中间件来处理,它们只需关注各自功能上的实现。
为此,本文提出了将中间件技术应用到分布式频谱监测系统的设计思想,利用中间件实现频谱监测系统的各个站点的实时工作,此外,利用中间件屏蔽不通类型的接收机的硬件差异,使得系统能够控制多种类型的接收机同时工作。
本文提出的频谱监测系统硬件组成如图2所示。系统主要有3类站点:主控站、操作站和侦测站。主控站和操作站功能相同,惟一区别在于主控站配有系统的数据库,其主要功能为:频谱监测工作的下发、接收并分析、显示侦测站返回数据;侦测站与以上2个站点不同,其下直接连接有接收机,是频谱监测系统的终端,其主要的功能是接收上层下发的频谱监测任务,并控制接收机进行运作,返回结果数据。
系统各个站点可灵活设置,图1为本系统3种类型站点都存在时的组成图,但在实际运行中可以通过配置模块灵活配置,实现其它的组网方式,如:三站合一的情况,即侦测站、操作站、主控站都为同一台计算机,没有网络传输。其他模式只是图2的特例,只需灵活配置站点角色即可实现。
系统的软件组成如图3所示,系统主要有配置管理子系统、数据管理子系统、任务管理子系统、中间件子系统及分析显示子系统等组成。
在系统运行时,将首先检测是否对系统进行了相关配置。若没有,则强制进入配置管理子系统,由其对系统进行各项配置,以便为其他模块的运行提供必要的配置信息(如:用户登录信息、站点角色配置信息、接收机配置信息等);若已完成对功能配置,则直接跳过进入系统主界面。
系统的任务管理模块制定各种频谱监测任务并发送给系统的中间件子模块,然后由其将频谱监测任务实时发送给侦测站,并接收其返回的数据。返回的实时数据则直接交由显示模块予以显示;非实时数据则直接存入数据库,以便其它模块的调用。
数据管理子系统主要是对本系统设计的库表、历史数据及地图进行管理,实现对数据库表的增删,历史数据的回放、删除等操作。
3 中间件模块
为了解决目前基于C/S结构的频谱监测系统无法实现大区域无线电信号的监测工作,本文提出了如图1所示的频谱监测系统。其中本文设计的中间件模块的功能结构图如图4所示。
由图4可以看出,本文设计的中间件模块有两部分功能:频谱监测任务的下发和返回的频谱监测数据的接收。
(1) 频谱监测任务的下发
用户首先根据不同的需求制定不同的频谱监测任务,然后将不同的任务通过内存传递的方式发送给中间件模块,由中间件模块根据任务地址的不同下发到各个侦测站下的接收机。
(2) 返回频谱数据的接收
侦测站下的接收机根据上层下发的频谱监测任务进行工作,并返回频谱监测数据,中间件模块接收各个侦测站下接收机返回的频谱监测数据,并进行预处理:若数据位实时数据,则直接发送到用户界面予以显示;若数据位非实时数据,则存入系统数据库。
4 结 语
本文针对目前基于C/S的频谱监测系统无法实现区域无线电信号实时监测的现状,提出了将中间件技术用于频谱监测系统的思想,设计了系统的硬件组成及拓扑结构,并详细叙述了中间件模块的实现,利用中间件可屏蔽各种接收机的硬件差异,使得同时控制不同类型的多台接收机工作成为可能,从而大大提高频谱监测的准确性。
参考文献
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分布式燃气泄漏监测系统设计 篇4
随着国家节能减排和清洁能源计划的推进, 越来越多的城镇居民家中通上了管道天然气, 但主要成分为甲烷 (CH4) 的管道天然气对于使用家庭存在危险隐患, 当甲烷在空气中含量为5%~16%时, 具有爆炸危险性;当含量高于16%时, 没有爆炸性, 但可以燃烧;甲烷本身虽然无毒, 但空气中甲烷浓度过高时, 相对降低了空气的含氧量, 对人有窒息作用。
目前开发的各种甲烷检测仪多为单点监测, 无法实现多居室或多个潜在燃气泄漏点的同时监测, 不适合在一般家庭普及使用。为克服现有技术不足, 基于单片机和无线射频技术设计了一种分布式天燃气泄漏监测系统。该分布式燃气泄漏监测系统能够通过多点监测、射频模块无线传输方式实现对居室环境中可能存在燃气泄漏的多个监控点的同步实时监测。
二、系统组成和工作原理
分布式燃气泄漏监测系统包括监控主机和多个数据采集从机, 其原理框图如图1所示:监控主机包括单片机MSP430F247、人机交互模块、声光报警模块、GSM模块和ZigBee射频模块;数据采集从机如右侧所示, 包括供电电源模块、燃气浓度检测模块、ZigBee射频模块。数据采集从机放置在管道接口、厨房或燃气锅炉房等燃气泄漏重点监测区域, 监控主机和多个数据采集从机之间通过ZigBee射频模块实现数据无线传输与交换。
数据采集从机中的燃气浓度检测模块通过MQ-9可燃气体传感器及其调理电路, 将检测到的燃气浓度信息转化为电信号并放大后送ZigBee射频模块, 射频模块通过无线传输模式将燃气浓度信息传输给监控主机, 监控主机由单片机MSP430F247内置的A/D转换器将采集到的数据转换为数字信号并进行分析处理。监控主机负责对其组网范围内的所有数据采集从机进行编码和身份确认并进行定时巡检, 若无线射频模块接收到的数据超出监控主机的预设燃气浓度警戒数值, 监控主机将其与预设数据比较后控制声光报警模块发出相应报警提示。
三、系统硬件电路组成
单片机采用美国德州仪器公司TI公司的MSP430F247, 具有超低功耗、高性能模拟技术以及丰富的片上处理模块等特点。MSP430F247内置多通道12bitA/D转换器, 内部有四个串行接口, 支持SPI、UART、I2C通信, 更方便设计与GSM、LCD等其他扩展模块的连接。
燃气浓度检测模块包括核心器件MQ-9半导体可燃气体传感器及其外围的信号调理电路, MQ-9气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (SnO2) 。使用简单的电路即可将电导率的变化, 转换为与该气体浓度相对应的输出信号, 高温 (5.0V加热) 检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体, 具有可靠性高、成本低的优势。
ZigBee射频模块采用德州仪器公司提供的射频模块CC2420EM, 该芯片具有完全集成的压控振荡器, 只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4 GHz频段工作;并且提供一个SPI接口与微处理器相连, 完成寄存器的设置和收发数据的任务。利用此芯片开发的无线通信设备最高数据传输速率可达250 kbps, 可以实现多点对多点的快速组网。
供电电源模块通过三端稳压芯片LM7805得到+5V电压, 经过芯片TPS7333Q构成的转换电路得到+3.3V的稳定电压。+5V电压满足运放供电的要求, +3.3V电压将为MSP430F247、射频模块CC2420、液晶显示模块12864、GSM模块TC35和声光报警模块提供供电电源。
人机交互模块由键盘输入与液晶显示电路实现, 用户通过按键实现系统的开启和关闭、系统工作模式的选择、报警阈值的设定。键盘采用单键输入式, 简化了控制程序。液晶显示模块选用带汉字库的点阵式12864显示器, 采用并行控制模式, 液晶的8个数据传输管脚及6个控制管脚分别对应于MSP430F247的14个I/O口, 通过相应I/O的设定控制显示信息。
GSM无线通讯模块选用西门子公司推出的TC35, 设计中使用短消息发收功能。TC35收发短消息共有三种模式:Block模式, PDU模式和Text模式, 本系统采用Text模式来进行数据的传输, 可以与手机实现双向通信, 从而达到实时监控报警和远程数据记录的功能。硬件上通过MSP430F247的串口数据线UCA0TXD、UCA0RXD和MAX232相连, 实现与GSM模块之间的数据接收与发送。声光报警模块核心器件为语音芯片ISD1420, 在监测到燃气泄漏后接受处理器的指令发出相应语音信号报警和红色警示灯闪烁报警。
四、系统软件设计
分布式燃气泄漏监测系统根据家居具体人员情况提供两种工作模式, 现场监测模式和远程监测模式。若选择现场监测模式, 在发生燃气泄漏时, 监控主机可以由液晶显示屏读出燃气泄漏点数据采集从机的编号和其所处位置环境的燃气浓度, 声光报警模块开启警示灯的同时发出语音报警;若选择工作在远程监测模式下, 当检测到的燃气浓度值超过设定阈值时, 警示灯开启、蜂鸣器发出报警声。与此同时, 当前数据通过GSM模块发送到目标手机终端。
系统的主要功能是由软件实现, 所有程序采用C语言编写。主要包含三个进程, 主程序、现场监测模式进程和远程监测模式进程, 主程序包括系统的初始化、工作模式的选择和按键操作, 系统初始化后, LCD显示系统主界面;按键操作均采用中断方式设计, 可以减少CPU的占用时间, 通过工作模式的选择调入其他相应的进程。现场监测模式进程中主要进行数据的采集、本地记录和显示, 而不作远程发送, 远程监测模式进程中, 除了进行数据的采集显示, 还实时通过GSM向远端发送。
五、结束语
该分布式燃气泄漏监测系统能通过多点监测、无线传输方式实现对多个潜在燃气泄漏点的有效监测及燃气浓度显示, 在某个监测点燃气检测量超标时能够发出声光报警、泄漏点位置指示。其结构简单、设计新颖合理, 提供实时监测和远程检测两种不同工作模式。相比较同类产品, 可扩展能力强, 能有效地预防燃气泄漏隐患, 具有较为广泛的应用前景。
参考文献
[1]沈建华, 杨艳琴, 翟骁曙编著.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].清华大学出版社, 2004
井下分布式无线应力监测系统设计 篇5
煤矿井下 复杂的工 况环境存 在诸多如 顶板断裂 、 支架变形 、 巷道底鼓 、 顶板离层 等安全隐 患[1]。 为安全生 产 , 我国已有 部分煤矿 建立了煤 矿巷道安 全监测系 统 , 但早期集 中式控制 的矿山压 力监控系 统 , 其控制任 务过于集 中 , 易造成主 机负荷重 , 系统不稳 定 , 实时性差 , 而且大多 采用电缆 连接监测 设备 , 致使井下 布线繁杂 , 移动不便 , 系统成本 高[2]。 一旦串联 的通信电 缆发生故 障 , 监测系统 就会瘫痪 。 因此 , 本文提出 分布式控 制无线网 络整体架 构 , 采用新型 集成无线 射频模块 组成分布 式传感器 网络 , 形成无线 分布式控 制的井下 应力监测 系统 , 实现井下 支护设备 应力监测 的全面性 、实时性 。
1分布式控制系统结构
分布式控 制系统 (Distributed Control System , DCS) 是应用计 算机技术 对生产过 程进行分 散控制 、集中管理 的一种综 合型计算 机网络系 统 , 一般分为 现场层 、控制层 、 监控层和 管理层四 层[3]。 每个层级 都有对应 的功能 , 层级之间 可以相互 通信实现 数据传输 。
分布式无 线控制应 力监测系 统分为井 上和井下 两个部分 , 井上为监 控中心层 , 井下为集 中控制层 和采集节 点层 , 系统结构 如图1所示 。
采集节点 层即终端 节点 , 是构成监 测系统的 基本单元 , 安装在井 下顶板 、 液压支架 、 锚固设备 上 , 负责压力 数据采集 、存储 , 并将数据 传到集中 控制层的 协调器中 。 路由节点 是无线通 信的中继 器 , 负责数据 和命令的 自动中继 传输 , 以扩大分 布式无线 网络的通 信范围 。 集中控制 层的协调 器负责无 线网络的 建立与维 护 , 实现无线 通信和有 线通信的 协议转换 , 通过CAN总线上行 传送压力 数据 , 下行传送 上位机指 令 。
监控中心 层的传输 接口在井 上通过CAN总线下达 命令 , 汇总若干 通信分站 的数据 , 将数据上 传至中央 处理平台 。 监测管理 人员可以 通过上位 机软件读 取实时压 力数据 、 绘制实时 曲线 、 查询历史 数据 、 打印报表 等 , 也可发送 控制命令 , 方便对井 下压力情 况的分析 和预测 。
2采集节点硬件设计
监控系统 设计要求 数据采集 、 通信的稳 定性 , 也要考虑 到无线传 输距离 、器件的防 爆性能 。 终端节点 硬件组成 如图2, 供电模块 为整个终 端节点提 供电源 , 是其他功 能实现的 前提 ;传感器模 块负责采 集压力计 数据和数 据A/D转换并将 处理的二 进制数通 过GPIO端口传送 给主芯片 ;主芯片负 责数据的 存储和终 端节点本 身采集的 数据 ;Zig Bee模块要实 现命令的 接收和数 据的发送 , 与路由节 点或协调 器进行通 信 。
主芯片选 用STM32F103中等容量 增强型 , 工作电压 是1.8~3.6 V, 其低功耗 适用于电 池供电的 无线传感 器节点设 计 。 存储模块 选用M25P16, 容量2 MB, 与主芯片 之间采用SPI通信 。 时钟芯片 选用DS1302, 其与主芯 片通过3根信号线 连接 , 采用电源3.3 V和纽扣电 池供电 , 两种供电 方式不同 时供电 , 纽扣电池 作为备用 电源 , 当设备断 电时时钟 模块正常 工作 。 无线模块 选用增强 型Zig Bee , 用户通过AT指令集来 进行各种 操作 。 传感器采 用CLY型压力传 感器 , 其内置阻 抗大 , 功耗低 , 监测范围 宽 , 稳定性好 , 性价比高 。
2.1传感器信号调理电路
传感器数 据采集是 整个监测 系统的核 心 , 传感器的 测量精度 和稳定性 取决于信 号的采集 和调理 。 应力信号 转换为电 压信号 , 为提高采 样精度 , 要通过调 理电路放 大微弱的电压信号[4]。 设计采用低功耗的AD623芯片, 其工作电压范 围宽, 共模输入范围可扩 展到地电平150 m V以下 , 能够测量 较低或没 有共模部 分的小差 分信号 , 更适合电 池供电的 低功耗设 备 。
AD623在单电源3 . 3 V供电下 , 提供满电 源幅度的 输出 , 输出电压 公式为V0= ( 1 + 100K / R ) Vin+ Vref, 由单个增 益设置电 阻进行增 益编程 , 因此能够 得到很好 的灵活性 。 A/D转换电路 如图3, 其中电容 、电阻构成 滤波电路 防止射频 干扰 。 CLY型传感器 由模拟3.3 V隔离供电 , 压力传感 器信号接 入AD623输入端 , 经过运放 处理输出 的放大信 号接入CPU, 最大工作 电流小于10 m A, 功率小于1/3 W。
2.2供电模块
系统正常 运行需要 为终端节 点 、 路由节点 、 协调器提 供所需能 量 , 系统供电 如图4。 井下电路 的本质安 全设计依 据GB3836爆炸性环 境系列标 准[5], 终端采集 节点为保 证低功耗 , 除主芯片 模块和Flash模块常供 电外 , 各模块供 电通过MOS管控制 , 在需要实 现模块功 能时 , 主芯片IO端口控制MOS管导通供 电 , 功能完成 后关断以 降低功耗 。
矿下常用127 V交流电 , 直接使用 本安隔爆 电源转直 流12 V, 再通过LM7805转5 V, 采用两级 降压的方 法能够防 止一级电 源电压波 动造成干 扰 , 为接口和 协调器节 点提供稳 定的电压 源 。 电源输入 端正负极 短接TVS管用以过 压保护 , 同时正极 输入端接2个低压降 低阻抗的 二极管 , 为短路防 反接提供 双重保护[6]。 电源正端 串接PTC热敏电阻 进行过流 过载电路 保护 , 短路时PTC发热呈现 高阻态使 电路处于 相对 “断开 ”状态 , 保护电路 不受破坏 。 故障排除 后 , PTC自动恢复 至低阻态 , 电路恢复 正常工作 。
终端节点 采用4节1.5 V的1号串联电 池组供电 , 应尽可能 降低功耗 以延长使 用寿命 。 为满足本 安要求 , 电池组串 接一个常 温标称阻 值为1 Ω 的PTC提供短路 保护 。 防爆试验 中 , 电池组短 路电流不 大于5 A, 短路发热 最高温94 ℃, 无漏液现 象 , 适用于井 下环境 。
3系统软件设计
井下巷道 的分布大 都呈线型 结构 , 工作面上 的支护设 备 、 液压支架 等分布距 离较小 , 考虑设备 的特殊布 局和节点能耗不等的问题, 系统采用Zig Bee网状网络结构。
路由节点 初始化后 , 自动加入 协调器已 经建立好 的通信网 络并建立 路由表[7]。 其无线模 块供电后 , 能够实现 数据的中 转功能 , 将采集节 点发来的 数据汇总 后转发给 协调器 , 接收协调 器发过来 的指令信 息后转发 给目的终 端节点 。 终端节点 数据格式 和上位机 指令格式 见表1、表2。 其中上位 机功能码 有4个 :0X01读取传输 接口数据 ;0X02广播更改 终端节点 的时间 ;0X03更改协调 器编号 ;0X04设置安装 终端节点 , 以方便在 协调器节 点上的液 晶屏显示 通信状态 。
3.1协调器
协调器作 为无线网 络传输的 汇聚中心 , 是整个分 布式控制 无线网络 的核心[8]。 每个分布 式Zig Bee网络只能 有一个协 调器节点 , 协调器节 点程序流 程如图5。 在节点中 各模块初 始化完成 后需要建 立Zig Bee网络 , 路由节点 、 终端节点 搜索信道 后申请加 入 , 协调器自 动筛选申 请加入的 节点并分 配地址建 立列表 。
协调器通 过CAN控制器ADM3053把接收到 的子节点 的Zig Bee协议数据 转换为CAN协议数据 , 然后通过CAN总线 、USB数据线将数据送至上位机。 此外, 下行通信可以向下传送主机的命令指令, 通过协议转换把数据包发送给分布式网络的所有节点。
3.2终端节点
终端采集 节点上载 有3个通道压 力传感器 , 负责数据 的采集 、存储和上 传 , 是系统的 关键部分 。 程序流程 如图6, 终端节点 上电后 , 无线模块 自动进行 初始化 , 然后请求 加入无线 网络 。
当协调器 接收到请 求信号后 会返回一 个包含协 调器ID和对应终 端节点ID的信号 , ID编号具有 唯一性 , 以实现点 对点通信 , 防止发生 通信冲突 。 加入网络 后 , 在满足采集 条件时采 集并保存 数据至外 部Flash防止网络 中断数据 丢失 , 然后通过 无线网络 将数据包 发送给协 调器或就 近的路由 节点后节 点休眠 , 保持低功 耗 。
数显模块 驱动采用 内部自带 键盘扫描 接口的LED驱动芯片SM1668, 可有效控 制亮度来 降低功耗 。 数码管的 显示采用 按键唤醒 , 当按下按 键时 , 数码管轮 询显示当 前终端节 点编号 、时间间隔 、实时压力 数值 。 显示时间 为3 s, 结束后自 动关闭显 示功能以 降低功耗 。
4系统测试与分析
井下巷道 中节点呈 链状分布 , 为验证系 统设计的 可行性 , 选取长宽 高分别为120 m、2 m、3.6 m的走廊模 拟巷道 , 将若干终 端节点和 路由节点 悬挂于墙 壁上 。 协调器节 点与传输 接口之间 通过CAN总线连接 , 中间接上10 km双绞线距 离仿真板 。 走廊内的 终端节点 外接电位 计模拟压力传感器 打压 , 用示波器测得数据波形 如图7, 相邻一组 收发数据 时间间隔 为150 ms, 系统模拟16台采集节 点 , 巡检周期2.4 s。 采集节点 连续运行 一周后 , 其中一个 模拟传感 器的实时 压力值部 分曲线如 图8。
井上工作人员 可以设定 压力上限 、下限报警 值 , 方便直观 地对测点 进行监控 、及时掌握 情况并采 取相应措 施保证生 产安全 。 同时可以 在Access数据库中 导出Excel历史数据 表 , 如图9, 方便技术 人员分析 测点数据 , 制定合理的生 产计划 。
经连续运 行模拟测 试 , 上位机实 时记录压 力数据并 绘制曲线 , 在压力值 不变的情 况下监测 的数据基 本维持一 条水平直 线 , 调节电位 计 , 压力值曲 线也随之 改变并保 存历史数 据 , 未出现丢 包的情况 , 验证了数 据采集具 有良好的 稳定性 , 能够满足 井下的使 用需求 。
5结语
井下分布 式控制的 无线监测 系统解决 了集中式 控制系统 布线复杂 、 维护困难 的问题 , 各采集节 点相互独 立 , 可靠性高 。 经实验验 证 , 系统满载 时分布式 控制通信 网络系统 巡检周期 为2.4 s, 数据稳定 可靠 , 可实现压 力变化的 实时监测 , 提升了矿 井顶板塌 方灾害的 感知能力 , 促进了安 全生产 。 但系统只 是通过模 拟测试 , 通信的稳 定性和数 据冲突等 问题还有 待实际使 用验证 。
摘要：为解决煤矿下现有集中式控制应力监测系统可靠性差、施工困难的问题, 基于分布式控制无线传感器网络, 设计了适用于煤矿下复杂环境的分布式应力监测通信系统, 详细介绍了系统总体结构、硬件电路及软件设计。以分布式无线Zig Bee为核心设计无线终端采集节点, 实时获取井下支护设备应力。协调器节点数据通过CAN总线上传至上位机后进行数据处理。实验测试表明, 系统实时性好, 可靠性强, 能够满足实际监测需求。
关键词：煤矿,分布式控制,应力监测,无线传感网络,通信系统
参考文献
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分布式电力线路故障监测系统研究 篇6
1 电力线路故障监测系统的技术基础
1.1 故障监测方面
在传统的电力线路故障监测中, 多采用故障定位仪, 其技术基础为付氏变换, 但此技术无法对信号进行同步的时频局部分析, 导致故障分析的处理效率、可靠性和时效性较低。
近年来, 为了提高故障信号处理水平, 在故障监测中, 多采用小波分析技术, 其优点在于能敏感察觉电力线路中的微弱信号和突变信号, 分析结果较为精确, 极大地提高了故障分析的可靠性。
1.2 抗干扰方面
数据传输系统是故障信息能被及时接收的重要保证, 而故障监测仪器分布于整个电力线路系统的各个部位, 需要采用无线通信技术。因此, 如何避免外部环境的干扰, 是相关技术人员使用数据传输系统时需要考虑的问题。数字通信是一种抗干扰能力强的数据传输技术, 对提高故障信息传递的可靠性起着十分重要的作用, 可应用于分布式电力线路故障监测系统中。
在应用数字通信技术时, 为了提高传输系统对电力线路附近磁场干扰、电场干扰的抵抗能力, 可结合使用线间耦合与浮空屏蔽技术, 避免线路中的强电对通讯弱电设备造成不利影响;同时, 可在电路芯片中加入吸收干扰脉冲的回路或利用屏蔽环等覆盖线路等方式, 提高其对外部电磁场的抗干扰能力。
此外, 为了避免因干扰造成的故障判断失误, 还可采用连续判断技术, 即对存在故障的电力线路电流电压信号进行持续搜集, 以固定间隔为判断点, 连续得出相应时间点上的判断结果, 并通过综合分析判断结果得到最可靠的结论。
1.3 无线射频通信方面
无线传输是分布式电力线路故障监测系统数据传输的主要方式, 为了保证故障信息远距离传输的可靠性, 除了要采取适当的抗干扰技术外, 还需要借助良好的无线通信通信技术, 即无线射频传输和GPS通信技术。
在无线射频通信技术中, 为了提高故障信息传输的可靠性, 可采取CRC校验、三取二判据和差错率重发等技术。后二者是指在三次故障信息传递过程中, 只要出现1次错误或差错率超出规定范围, 便会重新发送此故障点的信息, 这在很大程度上提高了故障信息的可靠性。
2 分布式电力线路故障监测系统的模块
2.1 查询信息软件
管理人员对电力线路故障的监测是通过查询软件实现的, 因此, 在开发软件时, 首先要保证具有查询功能, 管理人员通过查询历史信息、实时信息掌握电力线路网络的运行状态, 以及时发现潜在隐患或故障, 从而提高对电力线路故障的查找能力。
2.2 系统的权限和密码
在电力管理部门是由不同层次的管理人员和普通用户共同组成的, 其对电力线路故障监测承担的责任有所差异。因此, 为了保证整个管理部门工作的稳定、有序, 需要设置相应的权限和密码, 避免普通用户进入系统中擅自修改相关参数, 进而影响整个系统的准确性。
2.3 监控动态显示
在运行过程中, 系统得到的信息是整个电力线路网络中各个点的信息, 这些信息的总量、类型是非常庞大和繁杂的。如果仅以字符的方式静态显示信息, 并由管理人员被动地调整和阅读, 这不仅会增加管理人员的工作负担、降低整个监控工作的效率, 还很可能会疏忽重点信息, 导致电力线路故障无法被及时发现。因此, 在设计系统时, 需要具备监控动态显示功能, 通过监控图与缩略图的结合, 在电力线路发生故障时标注相应的位置点, 然后切换图像, 得到故障点附近的详细图形, 从而更加深入地判断和了解线路故障。
3 电力线路故障监测系统的整体结构
3.1 信息采集子系统
信息采集子系统是整个监测系统的基础, 其功能是搜集电力线路中发生的接地、短路等故障状态信息, 并对这些信息分类后传输到监控中心。
信息采集子系统功能的实现需要借助分布于电力线路中的监测设备, 比如以ARM技术为基础的新型故障指示器, 其能感应电力线路的电流状态, 通过内置的数字微处理器、利用精简后的小波算法对感应到的电流进行数字化处理, 并将分析结果作为监测数据, 通过数据传输系统将数据传输到监控中心, 从而实现故障种类、相位和故障点频率等信息的采集。
3.2 数据传输子系统
数据传输子系统是电力线路故障信息准确、高效、实时传递的重要保证, 其借助的是GPRS通信技术。在本监测系统中, 采取远程终端RTU单位, 其特点在于供电方式为蓄电池联合太阳能电池, 续航能力得到了很大提升, 解决了野外电力系统数据传输单位电源供应困难问题, 使数据传输的完整性得到了很大程度的提高。同时, RTU单位的安全工作时长可达16 000 h, 其故障维修时间大多可控制在0.5 h以内, 整体稳定性非常高, 可保证数据传输系统的可靠性。与其他功能相同的数据传输系统相比, RTU单元除了可接收由故障指示器发出的故障信息外, 还可以将接收到的信息分割后重新组合传输, 从而保证故障信息的及时处理和实时传输。
3.3 监控中心子系统
监控中心子系统是整个监控系统的核心, 具备查询和管理电力线路故障点等功能。
监控中心子系统在接收到RTU传来的信息后, 会通过相对应的解码软件解译信息。如果电力线路中存在故障, 则系统会将故障点的位置、故障所处的线路和故障点的类型、电压、频率等与正常参数相比较, 在确认故障信息与理论参数相符后, 将这些信息储存到数据库, 并利用GPRS将其传输到管理人员的信息接受端中;同时, 还会以告警、字符和报表等方式, 通过显示模块显示在监控视图中, 并标注故障点的位置, 以辅助电力系统的监控人员及时发现故障。如果电力线路无故障, 或所得到的数据为无用信息, 则监控中心子系统会通过接受信息数据表保存信息, 不会对信息进行相应的处理。这样, 有效提高了系统的工作效率, 避免了无效信息过多对监控造成的干扰。
监控中心子系统的操作端为普通的计算机, 不需要专业的操作软件, 故障信息的处理和分析都是在系统内部自动处理的, 监控人员只需要访问监测中心的系统信息, 或利用其他终端设备远程操作控制计算机, 就能及时了解故障的状态和位置等信息。
4 结束语
分布式电力线路故障监测系统的应用对电力企业提高供电安全的稳定性有着重要的意义。在分布式电力线路故障监测系统中, 对监测技术、通信技术和数据处理技术等有着较高的要求。在有效应用这些技术的基础上, 才能有效实现监测系统工作的自动化、高效化、智能化, 保证电力线路故障监测效果的大幅提升, 从而提高电力线路的安全性和稳定性。
摘要：介绍了分布式电力线路故障监测系统的相关技术和故障监测系统应具备的模块, 并分析了分布式电力线路故障监测系统的整体结构, 以期为分布式电力线路故障监测系统的建设提供支持。
关键词：电力故障监测系统,电力线路,小波分析技术,数字通信技术
参考文献
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分布式数字电视监测 篇7
在实际应用的很多场所都需要进行温度监测。目前, 这些系统大都采用有线的方式, 在各点安放温度传感器。但在有些情况下, 监测点较多, 布线、维护困难, 容易导致损坏;或者有时候布线比较困难, 如果使用无线的方式进行数据采集和传输, 效果将会得到很大提高。目前, 发展前景最大的无线网络技术是基于802.15.4标准的Zig Bee无线网络技术。Zig Bee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的无线网络技术, 它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。Zig Bee技术出现以前, 无线方式下各测量节点的供电成了非常难以解决的问题, 比如采用电池供电需要不断的更换电池。这种情况下, Zig Bee技术低功耗的特点可以最大限度地延长电池使用寿命, 所以, 使用Zig Bee无线采集方式能够满足要求[1]。
2 系统分析与结构设计
Zig Bee一开始就是被用来设计构建包括监测温度装置、安全装置、家用电表装置等小型设备的近距离通信的无线网络。作为系统的温度监测节点, 其覆盖范围大约在半径10~80m以内, 具有低功耗特性, 同时协议实现简单且免受专利费, 工作频段为免执照频段等。这为本系统的设计, 提供了最大方便的可实施性[4]。与其他无线技术相比比如蓝牙技术, Zig Bee具有的低功耗特性的优势显露无疑。
对于系统而言, 降低无线节点功耗的方法就是尽量减少其MCU (微控制单元) 、无线收发芯片的活动时间, 延长它们睡眠的时间, 但这需要处理好主节点和从节点之间的数据传输, 考虑系统的响应时间和功耗的关系。这里介绍一种可行的方法:主节点按一定周期、顺序“呼叫”各个从节点, 各从节点“定时”从睡眠中醒来。最理想的情况是, 某节点醒来的时刻收到主节点对它的呼叫, 于是, 从节点回答数据后再次转入睡眠状态。这样, 它处于活动的时间最少, 因而功耗最低。但是, 如果从节点醒来时已错过主节点对它的呼叫, 必须一直等待到主节点的下一次呼叫, 必将大大延长从节点处于活动状态的时间, 从而大大增加功耗。从节点从睡眠中本来时刻的准备性取决于双方时钟的一致程序。
对于这种应用, 系统采用飞思卡尔公司提供的飞思卡尔802.15.4解决方案。下面主要介绍系统结构设计过程中的硬件结构和相应的实现方案。
系统主要由一台温度数据集中器 (Zig Bee协调器) 和安装在各处的温度监测点 (Zig Bee设备) 组成一个星型结构网络。Zig Bee网络协调器通过发送超帧使各Zig Bee设备和它同步, 并使Zig Bee设备周期性地进入低功耗状态, 以达到节电的目的。温度监测节点将实时的温度值通过无线信道传送给Zig Bee网络协调器, Zig Bee网络协调器再通过串行接口或者以太网与PC机连接, 以实现各点温度的实时监测。系统结构如图1所示。图中Zig Bee协调器 (即数据集中器) 与Zig Bee设备 (即温度节点) 之间的虚线表示它们是通过无线方式连接的。而Zig Bee协调器与PC机相连的实线表示由该数据集中器采集到的数据最终传给PC机[1,3]。
2.1 温度检测节点
温度监测节点的结构相对简单, 它是一台Zig Bee精简功能设备, 主要由温度传感器、MCU和Zig Bee收发器组成。温度传感器采用一线器件DS18B20, 其温度测量范围为-55~125℃, 它本身输出数字信号, 无需外部信号放大电路和A/D转换器等, 与MCU的接口也非常简单;MCU采用飞思卡尔的MC9S08GT32;Zig Bee收发器采用飞思卡尔公司的MC13192[3]。图2给出了Zig Bee收发器MC13192和MCU相连的基本应用框架结构。
由于温度监测节点采用电池供电, 需要尽量延长电池的使用寿命, 所以, 功耗管理是一个难点。利用Z i g B e e的低功耗特性可以较好地解决这一问题。在总线频率为8MHZ时, MC9S08GT32的平均工作电流为6m A, MC13192的最大工作电流为40m A, DS18B20的工作电流为1.5m A, 完成一次温度测量需要约为100ms;MC13192在Hibernate状态的电流为6µA, MC9S08GT32在STOP状态下的最大电流为10µA。由于对温度监测的实时性不强, 因此可以选用较长的超帧周期, 以使各监测节点处于低功耗睡眠状态的时间较长, 并尽量减少工作电能的需求。这里取信标号位14, 对应的信标周期为251.65824s, 超帧序号取0, 对应的活动时间为15.36ms, 每台Zig Bee设备仅使用其中的一个时隙, 时间为15.36ms÷16=0.96ms, 占空比约为0.000003815。照此计算, 在一个信标周期里消耗的电能估算如下:
一天共有24×3600÷251.65824=344个信标周期, 共耗电 (0.00000123+0.00112+0.00021) mAh×344=0.46mAh, 一只750mA h的电池可使用750÷0.46=1630天=4.45年。当然上述计算只是理论上的, 考虑到漏电、信道访问时冲突引起的数据重发等因素, 实际使用时间可能会短一些, 但也能确保将更换电池的时间控制在可以接受的范围内。
本方案中的温度测量使用DS18B20, 其优点是电路简单。但它完成一次温度数据的测量、转换需要的时间较长, 大约在几毫秒到几十毫秒之间。如果改用AD590或者热敏电阻器等, 利用MCU内部的A/D转换器实现温度数据采集, 则需要的时间要短很多。由于本系统采用的设计方案是尽量简单的实现温度监测系统的基本功能, 故考虑的温度节点不会很多, 因而对于系统总体运行周期所花的时间将不会影响到整体效果。从图2中可以看出, 该温度监测节点的结构非常简单, MCU的大部分I/O引脚没有使用, 将来如果改用内部集成了MCU的Zig Bee芯片MC1321x, 则结构可进一步简化, 成本可进一步降低。MC13192的SPI接口直接与MCU的SPI接口相连接, 接受和发送使用PCB天线;DS18B20连接在MCU的一个I/O口上。整个温度监测点包括电池在内的总体尺寸很小, 大约在1cm×4cm×6cm左右, 非常便于实际应用中的安放与操作。
2.2 数据集中器
数据集中器是一台Zig Bee全功能设备, 作为网络协调器, 在此星形网路中起着非常重要与核心的作用。它将负责启动整个无线网络, 建立连接, 承担着采集各温度监测节点的数据及上传的任务。根据需要支持与其连接的温度监测节点的数量不同, 需要的资源也有所不同。由于本系统设计的温度监测节点不是太多, 选择使用飞思卡尔公司的MC9S08GB60。MC9S08GB60内有64K FLASH和4K的E2PROM, 高度集成了四个串行通信端口 (SCI1, SCI2, SPI, I2C) 最多有8个定时器, 8个通道的10位A/D转换模块[3]。图3为MC9S08GB60的整体结构框图, 显示了所有主要外设系统和外设引脚。
由于本系统重点考虑到如何尽量的降低功耗节省电力, MC9S08GB60芯片提供低功耗模式, 包括停止和等待模式, 这正好符合系统设计的思路。下面介绍在等待模式下, 芯片是如何工作的。当执行WAIT指令时, 即可进入等待模式, 此时, CPU进入没有时钟的低功耗状态。CPU进入等待状态时, CCR寄存器里面的I位将被清零并允许中断。当有中断请求发生, CPU就脱离等待模式, 继续正常处理, 从相应的中断服务程序开始允许。在等待模式下, 只有BACKGROUND命令和存储器访问状态命令可用。一旦有访问状态命令要访问存储器, 它会报警说明CPU在等待模式, 此时, BACKGROUND将会唤醒CPU使它脱离等待模式, 进入下一个模式或状态。
所以, 当数据集中器处于工作或者需要它工作时它会切换状态, 并根据不同的命令, 不停地调整与切换。这与温度监测节点中从工作状态到休眠状态不停切换的过程, 是非常相似的[4,5]。
3 软件设计
由于该Zig Bee无线网络只需使用到一台网络协调器, 因此网络层的功能要求将会大大降低, 只需要负责管理网络中的Zig Bee设备即可, 而不需要寻找可能存在的其他网络, 如此便降低了系统实现的难度。
网络中建立的设备具有父设备和子设备的从属关系。当一个新的设备向网络中已经存在的设备发出连接请求并将建立了连接后, 则称新的设备为子设备, 原来的设备即是父设备。系统工作可以从两方面来看, 一是作为Zig Bee网络协调器的数据集中器, 它处于网络中的父设备状态;相应的, 温度监测节点是子设备。
3.1 父设备与子设备流程
Zig Bee协调器使用MAC层将一个设备同它所在的网络进行连接, 其流程由来自于MAC层的MLMEASSOCI ATE.indication原语来进行初始化。仅仅当这些设备为协调器即数据集中器, 并且允许同网络连接的设备时, 才能执行这个流程。如果设备为温度监测节点, 网络层管理实体将终止这个流程。
当这个流程开始后, 父设备的网络层管理实体首先将要确定设备是否愿意同已经存在的网络连接。为了确定这一点, 网络层管理实体将会搜索的邻居表以确定是否能找到一个匹配的64位扩展地址。如果搜索到相匹配的地址, 则网络层管理实体将检查在邻居表中给定的设备能力是否匹配设备类型。如果设备类型也匹配则网络层管理实体将得到一个相应的16位网络地址, 并且向MAC层发送连接响应。如果设备类型不匹配, 网络管理实体将移除邻居表中设备的所有记录且重新启动MLME-ASSOCIATION.indica tion。如果搜索不到相匹配的地址, 如果可能, 网络管理实体将分配一个16位的网络地址给这个新设备。
如果同意连接请求, 则父设备的网络管理实体将使用设备所提供的信息在它的邻居表中为子设备创建一个新的入口。并且随后向MAC层发送表明连接成功的MLME ASSOCIATE.response原语。MLME-COMMSTATUS indication原语将传送给子设备的响应状态回到网络层[2]。成功将设备同网络连接的流程如图4所示。
3.2 系统工作流程
对于父设备数据集中器, 它需要先开始工作。上电后, 它首先初始化协议栈, 然后进行能量检测, 扫描并选择合适的信道, 之后启动协调器;如此便可以允许Zig Bee设备与Zig Bee协调器相连, 接受它们传输的各节点的温度值, 并将温度值传输给PC机。对于温度监测节点, 它上电后首先进行信道扫描, 寻找网络协调器, 找到协调器后向它发送连接请求, 然后与协调器建立连接。连接成功后, 它即通过协调器发送的信标与协调器实现同步, 开始按周期采集本次的温度值, 并将测量值传送给协调器[6]。图5所示 (a) 为父设备数据集中器的工作流程图, (b) 为子设备温度监测节点的工作流程图。
4 结论
实验表明, 上述软、硬件设计方案是成功的, 它可以用在各种需要实现分布式温度监测的场合, 也可以用来监测湿度或其它物理量。此方案使用于不易铺设通信线路或供电难于解决的场合, 如大型粮库温度监测, 温室大棚、湿度监测和田间数据采集等方面。
参考文献
[1] IEEE 802.15.4 2003.Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) .http://www.ieee.org.
[2] ZigBee Specification.http://www.ZigBee.org.
[3] MC13192 and MC9S08GB60 Reference Manual.http://www.freescale.com.
[4]孙利民等.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[5]张平, 康桂霞, 田辉.甚低功耗无线通信技术-ZigBee[J].中兴通讯技术, 2006, (8) :21-23