CN106101645B - 基于无线传感器网络的电缆沟输电线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感器网络的电缆沟输电线监测系统，包括多个数据传感器，多个视频传感器，数据传感器、视频传感器分别将采集的信号传输给基站，基站接收数据传感器、视频监控发送的信号进行分析处理、储存和显示，基站将数据送到GPRS通信模块，GPRS通信模块将接收到的信息传输至监控中心，监控中心接收GPRS通信模块发送的数据进行处理、分析和存储，并与电网控制中心、公安网络系统联网。本发明具有大面积的空间分布、网络自动配置、自动管理和高度协作性等特点。用于无线传感器节点可制作成环状扣在输电线上，视频监控传感节点可以固定在电缆沟支架上，不用人工，形成了自动管理和高度协作性的特点。
Description
技术领域
本发明属于城市供电领域，本发明涉及基于无线传感器网络的电缆沟输电线监测系统。
背景技术
电缆沟是城市供电的主要通道,架设电缆大多采用角铁制作的电缆支架。洪水期电缆沟进水、地下生物破坏等会对输电线产生严重影响。另外一些不法分子为谋取暴利冒险盗割输电电缆事件时有发生。而电缆沟电线分布广，而且位于地下，通道狭窄不利人工通行，单靠人工巡检的方式，不能很好地实现监控，为了保证输电线安全有效地运行，建立有效的电缆沟输电线监测网是一项防盗减损的有力措施。
电缆沟电线分布广且位于地下，通道狭窄不利工人通行，单靠人工巡检的方式，不能很好地实现监控。电缆沟输电线的监测有其特点，一是网络的规模大，分布广，对网络的节能要求高。二是电缆沟输电线的监测中所采集各种环境信息所需的方法不同，平时需要实时采集线路应力、震动和温度传感器，而在突发事件和人为盗割等问题发生时需要以事件驱动远程视频监控传感器进行数据传输，线路应力、震动和温度数据收集是周期性的，突发事件和人为盗割等问题的数据收集是随机事件。三是突发事件 的破坏会造成一些节点的失效，网络会随之起动态变化。
目前对电缆沟输电线监控大多采用人工巡检的方式。人工巡检不仅效率低，而且电缆沟位于地下，通道狭窄不利人工通行。另外，电缆沟位置隐蔽，不法分子盗割输电电缆不容易被发现。
无线传感网络(wireless sensornetwork，WSN)由部署在监测区域内大量廉价的智能传感器节点自组织而成，也称之为智能无线传感网络(Smart wireless sensorNetwork)。这种网络采用无线联网，能解决电缆沟输电线不便监测的问题。无线传感网络节点数量众多且可随机分布，节点不仅有感知和数据处理的能力，还具有路由功能，能很好地解决电缆沟输电线分布广的问题。
我国在无线传感网络的研究基本和国际同步，从国家层面来看，在国家中长期科学和技术发展规划重大专项“新一代宽带无线移动通信网”中将无线传感网络工作列为重要研究内容；各高校通信、网络类国家重点实验室以及一些研究所也开始了这方面的研究工作。对无线传感器网络的研究始于20世纪90年代，从芯片设计、硬件平台的搭建及对物理层、接入层、网络层协议的研究，都是研究机构和企业关注的热点。无线传感网络易部署、监测精度高、容错性高、覆盖区域大、可远程监控，但其中间节点需要进行大量的相关数据处理、融合和缓存，而且它还具有能量受限、拓扑变化频繁的特点。另外，无线传感器网络中各节点是在随机部署后，按照一定算法自动组织成面向应用的网络。因此，必须设计与实际应用其相适应的路由协议和数据融合算法。目前已有很多各具特色的路由协议， 可以在一定程度上提高网络寿命，但是这些算法都有一定的局限性。电缆沟输电线的监测有其特点，这些算法对于电缆沟输电线的监测特点不能很好地契合。目前无线传感器数据收集方法的基本特点可以概括为:能量低、规模大、移动性弱、拓扑易变化、使用数据融合技术和通信的不对称。如何通过设计合理的网络层的协议及算法，由传感器节点利用局部网络信息来实现全网能耗、网络寿命、吞吐量、公平性、时延之间的权衡，以达到节能从而延长网络的生命周期的目的，是现有的无线传感器网络的核心问题。对于网络的规模大、分布广的应用，现有的无线传感器网络一般采取设计合理的数据收集协议，有效地减小能量的消耗，兼顾实时性，解决能量空洞和大规模网络的数据延迟问题。
发明内容
本发明的目的是解决电缆沟输电线监控的问题，基于无线传感器网络建立一种完善的监测系统。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：基于无线传感器网络的电缆沟输电线监测系统具有大面积的空间分布、网络自动配置、自动管理和高度协作性等特点。用于监测线路应力、震动和温度的无线传感器节点可制作成环状扣在输电线上，中心节点和视频监控传感节点可以固定在电缆沟支架上，不用人工，形成了自动管理和高度协作性的特点。
本无线传感器网络系统分别采用不同驱动模式进行数据传输，信息传输速度快，便于电网控制中心迅速掌握情况。
本系统无线传感器网络节点为了稳定监控的需要，网络功耗小、生存寿命长，可自动配置，维护的成本和费用低。
本无线传感器网络系统可跟公安系统联网，便于对盗割输电电缆和其他破坏行动进行及时的发现和迅速的处理。
本无线传感器网络系统与电网控制中心联网，便于数据的及时反馈和存储，有利及时处理。存储的数据和录像可供分析研究、调查取证。
附图说明
图1为本系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明基于无线传感器网络的电缆沟输电线监测系统，包括多个数据传感器节点1、多个视频监控节点2、多个基站节点3、GPRS通信模块4、监控中心5。
数据传感器节点1，用于采集线路应力、震动和温度信号，并将采集的信号传输给基站节点3；
视频监控节点2，用于采集视频监控信号，并将采集的视频监控信号传输给基站节点3；
基站节点3，用于接收数据传感器节点1、视频监控节点2发送的信号；用于将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，并将处理得到的数据送到GPRS通信模块4。
GPRS通信模块4，用于基站节点3发送的信息，并将接收到的信息传输至监控中心5；用于接收监控中心5发出的指令，并将接收到的指令传输给杆塔监测分机2；
监控中心5，用于发出指令，并将该指令发送给GPRS通信模块4；用于接收GPRS通信模块4发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储；并与电网控制中心、公安网络系统联网。
GPRS通信模块3支持双频GSM/GPRS，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转换，支持RS-232/422/485或以太网接口，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道(选项)，支持动态数据中心域名和IP地址；可通进行软件升级，并具备自诊断、告警输出和抗干扰性能，可适用于无线电恶劣环境；可直接与监控终端设备连接，实现GPRS拨号上网功能。
本监测系统中各个数据传感器节点1采用时间驱动的周期性数据采集。这些监测线路应力、震动和温度的分布于高压输电线的传感器节点周期性地将自己的网络信息和数据量较小的应力、震动和温度信息发送给簇首，簇首传感器节点进行快速的信息融合和分离后转发给中心节点。由于这些信息的数据量不大，不需要太高的传输速率，这时消耗的能量很少。 在突发事件和盗割事件发生时则要传送大量的视频数据，可采用事件驱动式。在周期性数据采集中加入线路应力感应门限和实时性控制，当有突发事件和盗割事件时，其数值超过感应门限，最先感应到的节点向基站节点发送唤醒包，同时本地保存事件信息。唤醒包中带有节点信息、事件信息、关联度信息。
本监测系统中各个视频监控传感器节点2视频数据所需的所需传输的数据量较大，在无人进入电缆沟时，使视频传感器节点处于休眠状态，这样可大大降低网络耗能，延长网络寿命。当有人进入电缆沟时，其地面压力值超过感应门限，唤醒视频传感器节点进行工作。或者视频监控节点收到唤醒包广播后，对关联度进行判断，启动视频监控并发监测信息给中心。
基站节点3的流程图，基站节点3上电自检成功后，转入低功耗模式。当基站节点3收到唤醒包后，立刻从低功耗模式转入活动模式，马上进行广播；同时采用时间驱动的周期性唤醒模式，唤醒后从低功耗模式转入活动模式，对数据传感器节点1和视频监控传感器节点2的数据进行采集，周期性地接收数据传感器节点1网络信息和应力、震动和温度信息进行快速的信息融合和分离，控制GPRS通信模块4，将采集的数据发送至监控中心5，数据发送成功后，基站节点3入低功耗状态。
本发明监测系统的工作过程：
对线路应力、震动和温度数据采集和在突发事件及人为盗割等问题发生时需的视频数据采集的不同特点进行不同处理。高压输电线的监测中所 采集各种环境信息所需的方法不同，平时需要实时采集线路应力、震动和温度传感器，而在突发事件和人为盗割等问题发生时需要驱动远程视频监控传感器进行数据传输，线路应力、震动和温度数据收集是周期性的，突发事件和人为盗割等问题的数据收集是随机事件。
数据传感器节点1采用时间驱动的周期性数据采集。这些监测线路应力、震动和温度的分布于高压输电线的传感器节点周期性地将自己的网络信息和数据量较小的应力、震动和温度信息发送给基站节点3，基站节点3进行快速的信息融合和分离后转发给中心5。由于这些信息的数据量不大，不需要太高的传输速率，这时消耗的能量很少。
在突发事件和盗割事件发生时则要传送大量的视频数据，则采用事件驱动式。在突发事件和盗割事件未发生时，使视频传感器节点处于休眠状态；当有突发事件和盗割事件时，其数值超过感应门限，唤醒视频传感器节点2进行工作。视频监控传感器节点2在无人进入电缆沟时，使视频传感器节点2处于休眠状态，这样可大大降低网络耗能，延长网络寿命。当有人进入电缆沟时，其地面压力值超过感应门限，唤醒视频传感器节点2进行工作。
本发明监测系统将整个无线传感器网络区域分为若干个簇，每个簇有一个簇首(基站节点3)，簇成员(数据传感器节点1和视频监控传感器节点2)与簇首(基站节点3)之间采用单跳通信，簇首(基站节点3)之间通过多跳通信，数据融合后传送到中心节点5，从而减小通信业务量。采用基于最小跳数的路由算法，为每个成员建立路由线路。每个簇首节点都可获得最 小跳数和父节点信息，形成最小跳数场。在平时工作，其基站大部分是固定模式，而在突发事件和盗割事件发生时，其网络结构是随机变化的。在经过基站的固定和随机模式的总体能耗和负载分布的计算，建立自动配置。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种基于无线传感器网络的电缆沟输电线监测系统，其特征在于，包括多个用于采集线路应力、震动和温度信号的数据传感器，多个用于采集视频监控信号的视频传感器，数据传感器将采集的信号传输给基站，视频传感器将采集的视频监控信号传输给基站，每个基站连接至少一个数据传感器和至少一个视频传感器，基站接收数据传感器、视频传感器发送的信号进行分析处理、储存和显示，基站将处理得到的数据送到GPRS通信模块，GPRS通信模块接收基站发送的信息，并将接收到的信息传输至监控中心，监控中心接收GPRS通信模块发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储，发送指令给GPRS通信模块，并与电网控制中心、公安网络系统联网；
所述数据传感器采用时间驱动的周期性数据采集；所述视频传感器在无人进入电缆沟时处于休眠状态，当有人进入电缆沟时，数据传感器感应地面压力值超过感应门限，视频传感器节点进行工作；
所述基站采用时间驱动的周期性唤醒模式，唤醒后从低功耗模式转入活动模式，对数据传感器和视频传感器的数据进行采集，周期性地接收数据传感器信息，传送至GPRS通信模块，数据发送成功后，基站入低功耗状态；
所述GPRS通信模块支持双频GSM/GPRS，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转换，支持RS-232/422/485或以太网接口，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道，支持动态数据中心域名和IP地址。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |