CN104703261A - 一种低功耗双向实时无线传感方法 - Google Patents

一种低功耗双向实时无线传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗双向实时无线传感方法，所述方法包括若干个采样周期，所述采样周期包括：CMD根据设置好的采样时间参数在T1时刻启动无线接收模块；经过长度为TD的延时后，WDAU启动进入测量状态；WDAU测量完成后，在T2+TSM时刻进入无线收发信状态；WDAU在完成与CMD的通信后，立即关闭无线模块进入低功耗休眠状态；CMD在完成与WDAU的通信后，经长度为TD的延时后，CMD关闭无线模块进入低功耗休眠状态。本发明实现了WDAU和CMD的同步工作，从而可以让WDAU和CMD平时均处于低功耗休眠状态；本发明为WDAU在测量间隔内增加了若干定时接收时隙，在保证WDAU低功耗性能的前提下，实现了双向无线通信功能。

Description

一种低功耗双向实时无线传感方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感方法，特别涉及一种低功耗双向实时无线传感方法。
背景技术
在输电线路在线监测系统中，安装于架空输电导线上的无线数据采集单元(WDAU)一般采用无线方式与安装于杆塔上的状态监测装置(CMD)进行通信。WDAU一般由锂电池、处理器、实时时钟(RTC)、无线收发、测量等模块组成；CMD一般由太阳能+蓄电池供电、处理器、RTC、无线收发、本地和远程通信接口等模块组成。WDAU和CMD两者构成了输电线路在线监测装置，现场安装典型示意图如图1所示。
目前这类无线数据采集单元采取的供电方式有两种：一种是通过导线耦合取电；另一种是采用锂电池供电。通过导线耦合取电一般要求导线电流大于50安培，供电安全性和稳定性受导线电流冲击的影响很大，而且在线路停电检修过程中，WDAU就无法正常工作，可靠性普遍不高，因此目前应用较多的还是锂电池供电方式，这就要求WDAU本身具有极低的功耗，从而尽量延长锂电池的有效使用时间。
CMD一般采用蓄电池+太阳能浮充供电工作方式，因此同样对CMD本身的低功耗性能提出了较高要求。
为了实现低功耗，一些WDAU产品(产品1)平时关闭收发信单元，仅在需要发信的时候打开发信单元，将数据发送给CMD，CMD平时一直处于守候接收状态，从而可以接收到WDAU发出的数据，从而实现了定时测量。但这种WDAU产品无法实时接收CMD发出的命令来进行测量，甚至有的WDAU产品只有发信单元，没有接收单元。
为了进一步降低整个系统的功耗，部分产品(产品2)利用CMD与WDAU的时钟同步避免了CMD一直处于守候接收状态，从而降低了CMD的功耗，但这种产品对时钟同步的要求极高，时钟一旦失步，往往会造成系统无法正常工作。
以上两种产品均只能提供单向数据通信，无法实现CMD对WDAU的控制，为此一些产品(产品3)在此基础上做了改进，利用CMD来暂存需要发出的命令，一方面CMD在接收到WDAU发出的数据后，立即将暂存的命令发送给WDAU；另一方面，WDAU在发出测量的数据后，不是立即关闭无线收发系统，而是守候一定长度时间，判断是否有CMD发出的控制命令，从而实现远程设置或修改参数的功能，但这种产品修改参数的实时性完全取决于WDAU的测量间隔，测量间隔越长，实时性越差。
根据以上产品技术实现方式可以看出，产品1由于CMD平时处于无线守候接收的状态，因此功耗较大，系统的低功耗特征只体现在传感器节点上，没有实现系统级别的低功耗；而且由于无线传感子节点平时处于极低功耗的休眠状态，无法实现远程的控制或参数配置等操作，无线传感子节点一般采用定时采集主动上报的工作方式，只能实现WDAU到CMD的单向无线通信，为了实现低功耗，定时采集及主动上报间隔时间不能太小，一般不小于5分钟，因此在一些变化较快的参数监测应用中，数据的实时性无法得到保证。
产品2通过时钟同步降低了CMD的功耗，这种产品和产品1一样只能实现WDAU到CMD的单向无线通信。另外这种产品对时钟同步要求过高，时钟失步对系统正常工作会造成灾难性影响，
产品3实现了双向无线通信功能，从而能实现通过CMD设置或修改WDAU参数的功能，但其修改参数的实时性完全取决于WDAU的测量间隔，测量间隔越长，实时性越差。
发明内容
本发明旨在为架空输电线路在线监测系统中的无线数据采集单元和状态监测装置提供一种系统级低功耗无线传感方法，该无线传感方法可以实现在线监测装置(包括安装于架空输电导线上的无线数据采集单元(WDAU，Wireless DataAcquisition Unit)和安装于杆塔上的状态监测装置(CMD，Condition MonitoringDevice))的低功耗设计需求，适应于无线数据采集单元采用锂电池供电，状态监测装置采用太阳能+蓄电池浮充供电的现场条件，同时解决远程控制与参数配置功能及其实时性等问题。
本发明的技术方案如下：
一种低功耗双向实时无线传感方法，所述方法包括若干个采样周期，所述采样周期包括如下步骤：
1)CMD根据设置好的采样时间参数在T1时刻启动无线接收模块，进入工作状态，此时的工作功耗为PC1；
2)经过长度为TD的延时后，即在T2＝T1+TD的时刻，WDAU启动进入测量状态，进行监测量的测量，测量时间长度TSM取决于被测量，此时电流为PS1；
3)WDAU测量完成后，在T2+TSM时刻进入无线收发信状态，收发信时间长度TSC取决于通信速率和报文长度，此时电流为PS3；
4)WDAU在完成与CMD的通信后，立即关闭无线模块进入低功耗休眠状态；CMD在完成与WDAU的通信后，经长度为TD的延时后，CMD关闭无线模块进入低功耗休眠状态；
5)WDAU在T1+TSI时刻打开无线接收模块，进入守候接收远程控制命令状态，此时电流为PS2，TSI为时隙间隔。
进一步，所述WDAU的实现方法为：WDAU平时处于休眠状态，在接收时隙到时，会进入守候接收状态，如果未接收到命令，会重新返回休眠状态，如果接收到命令后会进入通信状态，通信完成后，会再次进入休眠状态；在测量时间到时，WDAU会从休眠状态进入测量状态，如果测量失败，会重新返回休眠状态，如果测量成功，会进入通信状态，将测量的数据成功发送给CMD后再次进入休眠状态。
进一步，所述CMD的实现方法为：CMD平时处于休眠状态，测量时间到后进入守候接收状态，如在规定时间内未接收到数据，CMD会再次进入休眠状态，如果在规定时间内收到WDAU发出的数据，CMD将进入通信状态，通信完成后，CMD再次进入休眠状态。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的输电线路在线监测低功耗无线传感方法以时钟同步为基础，实现了WDAU和CMD的同步工作，从而可以让WDAU和CMD平时均处于低功耗休眠状态，不仅实现了WDAU的微功耗，同时还实现了CMD的低功耗，是一种系统级低功耗解决方案。
本发明提供的输电线路在线监测低功耗无线传感方法为WDAU在测量间隔内增加了若干定时接收时隙，由于时隙长度很短，因此只增加了很少的功耗，保证了WDAU的低功耗性能，但实现了双向无线通信功能，从而CMD可随时控制或配置WDAU的功能，远程控制的实时性能大为改观。且因为CMD可以随时向WDAU发出控制命令，其对时钟同步的要求进一步降低，一旦时钟失步，可以随时通过发送同步命令实现再次同步。
附图说明
图1是WDAU和CMD两者构成的输电线路在线监测装置的现场安装典型示意图；
图2是无线传感节点和数据采集单元通过同步协议实现时钟同步后的工作流程图；
图3是WDAU的工作流程图；
图4是CMD的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
为有利于清楚说明本发明的技术方案，首先将所涉及的技术术语解释如下：
RTC(Real-Time Clock)：实时时钟。主要作用就是提供稳定的时钟信号给后续电路用，主要功能有：时钟&日历，闹钟，周期性中断输出，32KHz时钟输出。
输电线路在线监测(Power Line Supervisory)：输电线路在线监测是运用先进的技术手段对输电线路进行自动化监视和科学管理的总称，也是实现智能电网的重要基础之一。输电线路在线监测是一项复杂的系统工程，它以输电线路在线监测系统为核心，并且涉及到对输电网一次网架和设备的配套要求、多种通信手段的综合利用、以及与相关系统的应用集成等。
数据采集单元(data acquisition unit，DAU)：安装在导线、地线(含OPGW)、绝缘子、杆塔、杆塔基础等上的基于各种原理的信息测量装置，通过信道将测量信息传送到系统上一级设备(状态监测装置)，并响应状态监测装置的指令。按照传输方式，分为无线数据采集单元和有线形式的数据采集单元
状态监测装置(Condition Monitoring Device，CMD)：指收集各数据采集单元的信息，并进行现场存储、处理，同时能和状态监测代理装置或输电线路状态监测系统进行信息交换的信息处理与通信装置，也可以向数据采集单元发送控制指令。
状态监测代理(Condition Monitoring Agent)：指收集各智能监测装置信息，并将信息转发至状态监测系统的通信装置，也可以向智能监测装置转发指令，简称CMA。
本发明的微功耗无线传感方法采用的是基于时钟同步的系统级微功耗解决方案，不仅WDAU可以实现微功耗，CMD同样具有极低的功耗，且实现了通过WDAU实时设置或修改WDAU参数(时延<1min)的功能，同时该方案对时钟同步的要求较低，时钟失步后可随时通过控制命令进行再次同步。其工作原理如下：
WDAU和CMD平时处于均处于低功耗休眠状态，无线收发模块均处于关闭状态，仅有RTC实时时钟电路处于工作状态，此时WDAU的功耗为PS0，可以控制在十微安内，CMD的功耗为PC0，可以控制在百微安内。无线传感节点和数据采集单元通过同步协议实现时钟同步，同步后的工作流程如图2所示。
下面以一个采样周期为例，详细介绍WDAU和CMD的工作流程。
1、CMD根据设置好的采样时间参数在T1时刻启动无线接收模块，进入工作状态，此时的工作功耗为PC1；
2、经过长度为TD(TD太大会导致CMD功耗较大，太小会导致CMD与WDAU的通信可靠性降低，因此需要合理设计，典型值为1s)的延时后，WDAU启动进入测量状态，进行监测量的测量，测量时间长度(TSM)取决于被测量，典型值为320ms，此时电流为PS1；
3、WDAU测量完成后，在T2+TSM时刻进入无线收发信状态，收发信时间长度(TSC)取决于通信速率和报文长度，典型值为80ms，此时电流为PS3；
4、WDAU在完成与CMD的通信后，立即关闭无线模块进入低功耗休眠状态；CMD在完成与WDAU的通信后，经长度为TD的延时后，CMD关闭无线模块进入低功耗休眠状态。
5、WDAU在T1+TSI时刻打开无线接收模块，进入守候接收远程控制命令状态，此时电流为PS2。TSI为时隙间隔，典型值为1分钟，时隙时间长度(TSW)太长会导致WDAU功耗过大，太短会导致WDAU无法接收到远程控制命令，应合理设计，典型值为100ms。
功耗计算：
WDAU日休眠功耗：5uA×24h＝120uAh
WDAU日测量功耗(以5分钟测量一次为例)：10*1000uA×24×60÷5×0.32s÷3600＝256uAh
WDAU日守候接收功耗：20×1000uA×24×60×0.1÷3600＝800uAh
WDAU日收发信功耗：85×1000uA×24×60÷5×0.08÷3600＝544uAh
WDAU五年的总耗电量为(120+256+800+544)uAh×365×5＝3.139Ah，意味着
在不进行充电的情况下，使用一个4Ah的锂电池即可满足工作5年的要求。
CMD日休眠功耗：50uA×24＝1.2mAh
CMD日通信功耗：60mA×24×60÷5×5÷3600＝24mAh
CMD一个月的总耗电量为(2.4+24)mAh×30＝0.792Ah
时序参数及功耗估算如下表所示：
如上所述，系统在T1-T3时刻实现无线传感单元测量数据的主动上报，在T1+iTSI时刻可以实现对WDAU的远程控制或参数配置，远程控制和参数配置延时取决于TSI的大小，典型值为<1分钟，远小于测量时间间隔，从而大大提高了系统的远程控制及参数配置的实时性。
按照以上时序，WDAU和CMD的工作流程图分别如图3和图4所示。
WDAU平时处于休眠状态A，在接收时隙到时，会进入守候接收状态B，如果未接收到命令，会重新返回休眠状态A，如果接收到命令后会进入通信状态D，通信完成后，会再次进入休眠状态A；在测量时间到时，WDAU会从休眠状态A进入测量状态C，如果测量失败，会重新返回休眠状态A，如果测量成功，会进入通信状态D，将测量的数据成功发送给CMD后再次进入休眠状态A。
CMD平时处于休眠状态E，测量时间到后进入守候接收状态F，如在规定时间内未接收到数据，CMD会再次进入休眠状态E，如果在规定时间内收到WDAU发出的数据，CMD将进入通信状态G，通信完成后，CMD再次进入休眠状态E。
综上所述，本发明
1)WDAU和CMD平时均处于低功耗休眠状态，以时钟同步为基础实现同步工作，从而实现系统级低功耗；
2)WDAU在测量过程中关闭收发信电路，降低自身功耗；
3)CMD较WDAU提前TD进入守候接收状态，较WDAU推迟进入低功耗休眠状态，允许两者存在一定范围内的不同步，提高系统的可靠性；
4)在确定的测量时间点，CMD如果连续2次未收到WDAU发出的测量数据即判断与WDAU失步，CMD立即发出同步命令与WDAU再次进行同步；
5)通过在WDAU的测量间隔内增加若干守候接收时隙(时隙间隔1min，时隙长度100ms)，从而在保证低功耗性能的同时实现了CMD可以实时控制WDAU或进行WDAU的参数配置；
本发明的低功耗无线传感方法可应用于CMD与输电线路状态监测代理(CMA)间的通信工作方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低功耗双向实时无线传感方法，所述方法包括若干个采样周期，所述采样周期包括如下步骤：
1)CMD根据设置好的采样时间参数在T1时刻启动无线接收模块，进入工作状态，此时的工作功耗为PC1；
2)经过长度为TD的延时后，即在T2＝T1+TD的时刻，WDAU启动进入测量状态，进行监测量的测量，测量时间长度TSM取决于被测量，此时电流为PS1；
3)WDAU测量完成后，在T2+TSM时刻进入无线收发信状态，收发信时间长度TSC取决于通信速率和报文长度，此时电流为PS3；
4)WDAU在完成与CMD的通信后，立即关闭无线模块进入低功耗休眠状态；CMD在完成与WDAU的通信后，经长度为TD的延时后，CMD关闭无线模块进入低功耗休眠状态；
5)WDAU在T1+TSI时刻打开无线接收模块，进入守候接收远程控制命令状态，此时电流为PS2，TSI为时隙间隔。
2.根据权利要求1所述的低功耗双向实时无线传感方法，其特征在于：所述WDAU的实现方法为：WDAU平时处于休眠状态，在接收时隙到时，会进入守候接收状态，如果未接收到命令，会重新返回休眠状态，如果接收到命令后会进入通信状态，通信完成后，会再次进入休眠状态；在测量时间到时，WDAU会从休眠状态进入测量状态，如果测量失败，会重新返回休眠状态，如果测量成功，会进入通信状态，将测量的数据成功发送给CMD后再次进入休眠状态。
3.根据权利要求1所述的低功耗双向实时无线传感方法，其特征在于：所述CMD的实现方法为：CMD平时处于休眠状态，测量时间到后进入守候接收状态，如在规定时间内未接收到数据，CMD会再次进入休眠状态，如果在规定时间内收到WDAU发出的数据，CMD将进入通信状态，通信完成后，CMD再次进入休眠状态。
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