CN106375946A - 一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统 - Google Patents

一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明所述一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，其特征在于，包括无线传感器网络、汇聚节点、系统网关和远程监控系统。所述传感器节点包含传感器模块、处理器模块、无线模块，所述汇聚节点包含处理器模块、无线模块。汇聚节点通过无线方式与传感器节点、系统网关建立通信联系，向传感器节点及系统网关接收和发送数据，并通过互联网络与远程监控系统建立连接，向其发送接收数据。网络中簇头节点的选取根据节点能量及成员节点到簇头的距离来确定，簇头将数据经最短路径传输给汇聚节点，降低了网络能耗，延长了网络生存时间，本发明实现了对电动汽车充电桩的自动监控，节省了人力物力，能减少因充电意外事件造成的损失。

Description

一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统
技术领域
本发明涉及一种充电监控系统，尤其涉及无线传感器网络的电动汽车充电桩监控系统。
背景技术
随着全球对环境问题的重视，电动汽车作为一种清洁、环保和节能的新型交通工具，越来越受到全球的关注和欢迎，电动汽车的生产、销售和保有量也会越来越大，近年来中国电动汽车的应用得到了特别快速的发展，电动汽车充电桩作为电动汽车应用的重要配套设备，影响制约着电动汽车的普及应用，电动汽车充电桩的安全、高效运行是保障电动汽车不断得到推广、普及和应用的一个重要因素。
无线传感器网络电动汽车充电桩监控集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能够实时的感知、收集和监测电动汽车充电的状态感知参数，通过对各种状态感知信息参数的协作式数据处理，获取感知对象的准确状况信息，可以实时监测充电设备的电流、电压、电量、温度及设备异常运行状态，进而作出智能判断，防止对设备产生的重大危害，为充电桩的安全高效稳定运行提供重要的保障，因而无线传感网络电动汽车充电桩监控系统有着实用又广泛的应用前景。
发明内容
本发明目的：本发明旨在提出一种便于实时监测电动汽车充电桩的无线传感器网络监控系统，监测充电设备的电流、电压、电量、温度及设备运行状态等信息参数，提高充电桩工作效率，发现异常状态，及时报警并进行相应的智能处理，消除充电设备异常情况对充电桩、电动汽车及使用人员的危害。
技术方案：本发明所述的一种无线传感器网络的电动汽车充电桩监控系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线通信模块、系统网关及远程监控系统，无线传感器网络包括i个传感器节点、m个簇头节点、n个汇聚节点及系统网关，所述i、m、n均为自然数，所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点具有较强的计算能力和存储能力，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点发送和接收数据，汇聚节点将感知的数据发送给系统网关，从系统网关接收控制指令，无线传感器网络通过系统网关与远程监控中心建立连接，系统网关作为现场监控平台，配置有嵌入式操作系统、USB接口、10/100MHz ETHERNET接口、GSM/GPRS通信模块和平板LCD显示输入系统，系统网关通过互联网和远程监控系统建立连接，向远程监控系统发送和接收数据，无线传感器网络采用改进型LEACH-C路由协议，无线网络中簇头节点的选取根据节点的剩余能量及成员节点到簇头的距离来确定，簇头将数据经最短路径传输给汇聚节点，传送到系统网关进行数据处理，提高了网络传输效率，降低了无线网络的能耗，延长了网络的生存时间。
所述的一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，其特征在于：所述监控系统传感器包括温度传感器、湿度传感器、电流传感器、电压传感器、电量传感器、火焰传感器及电能质量传感器中的一种或多种。
所述的一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，其特征在于：所述传感器节点及汇聚节点的处理器模块信息采集控制器、无线通信模块采用片上系统CC2530，内置增强型微控制器和RF收发器，所述系统网关采用的控制器为高性能嵌入式处理器S3C6410。
有益效果：本发明实现了对电动汽车充电桩充电过程多种参数的实时自动监测，节省了一定的人力物力的开销，提高了对充电桩的监控水平，传感器节点将监测的数据传送给系统网关，在系统网关平台可以对电动汽车充电桩充电过程进行监控处理，系统网关再通过互联网络将监测到的数据传送到远程监控系统，可以实现远程实时的监测并控制充电桩的运行状态，可以提高充电桩充电的稳定性和效率，提高充电桩系统的经济效益，通过对充电桩进行实时监控，可以对异常数据做出警示反应，以便及时采取措施应对充电桩系统的异常情况，可以在较大的程度上减少因充电桩充电过程的意外事件造成的对充电桩系统、电动汽车动力电池、电动汽车车体及对相关人员可能造成的损伤和伤害。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明传感器节点的结构框图；
图3是本发明路由协议流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，包括多种无线传感器网络节点、簇头节点、汇聚节点、系统网关和远程监控系统。分布在充电桩各处的多种传感器节点、簇头节点、汇聚节点和系统网关组成无线传感器网络。无线传感器网络包括i个传感器节点、m个簇头节点、n个汇聚节点及系统网关，所述i、m、n均为自然数。所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块。所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点接收和发送数据，无线传感器网络通过系统网关与远程监控中心建立连接，系统网关作为现场监控平台，配置有嵌入式操作系统、USB接口、10/100MHz ETHERNET接口、GSM/GPRS通信模块和平板LCD显示输入系统，系统网关通过互联网和远程监控系统建立连接，向远程监控系统发送和接收数据。
如图2所示，传感器节点设置有处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块，传感器节点的处理器模块分别与传感器节点的传感器模块、无线通讯模块和电源模块相连，控制其它各个模块工作。汇聚节点设置有处理器模块、无线通信模块和电源模块，其处理器模块分别与汇聚节点无线通信模块和汇聚节点电源模块相连，为了尽可能减少网络通信及节点的能量消耗，延长电池电源使用时间，无线传感器网络采用改进型LEACH-C路由协议。
传感器节点包括安装在电动汽车充电桩系统内的温度传感器、湿度传感器、电流传感器、电压传感器、电量传感器、火焰传感器及电能质量传感器中的一种或多种，用于监测电动汽车充电桩充电过程中的多种参数和现场状态。处理器模块是传感器节点的核心模块，根据设定的程序和接收到的指令，对采样数据进行智能分析和处理，存储器中储存了无线通信协议、路由协议、路由信息及转发数据等，传感器模块分别与处理器模块、电源模块相连，用于采集充电过程及现场的各项数据，无线通信模块受处理器模块的管理控制，负责各种数据的接收和发送，电源模块为整个传感器节点提供能源，保障节点的正常工作。
如图3所示，无线传感器网络采用改进型LEACH-C路由协议，对LEACH-C的改进主要体现在两方面，首先是无线网络中簇头节点的选取根据节点的剩余能量及成员节点到簇头的距离来确定，这样可以有效减少网络的能耗、提高簇的稳定性和生存时间。第二方面是簇头和汇聚节点的通信，簇头选择最短路径路由将数据传送给汇聚节点，可以选择多跳的方式，这样就减缓了作为簇头的节点由于长距离通信造成能量消耗过大的问题，降低了无线网络的能耗，延长了网络的生存时间。
在簇的建立阶段，所有节点均将自己的相关信息发送到汇聚节点，通过能量阀值的计算，只有当节点的剩余能量大于阀值时，此节点才是簇头的候选节点，根据所有成员节点到簇头的距离平方和最小的原则，运用模拟退火算法，选择簇头及分簇方案，然后汇聚节点把簇头集合和簇的结构进行广播，使每个节点都知道自己是否成为簇头以及应该加入哪个簇，使整个网络的能量消耗尽可能为最小。簇头节点对簇内节点进行管理并且要进行数据融合。簇头节点通过改进的STDMA时分复用机制为每个所属的节点分配时隙用于数据的传送，在非时隙内处于休眠状态，减少了节点能量消耗，减少了簇内干扰。传送到系统网关进行数据处理。
在数据传输阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点，簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，在改进型LEACH-C路由协议中，簇头将数据经最短路径传输给汇聚节点，更加节省均衡了网络能量，延长了网络生存时间，每个簇采用不同的CDMA编码序列进行通信来减少相邻簇内节点的干扰，当一节点决定成为簇头时，它从一系列的扩频码中选择一种，在它的簇内使用，从而减少了相邻簇间的干扰。
汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通讯连接，向传感器节点接收和发送数据，传感器节点通过无线通讯模块接收汇聚节点发送的控制命令，并将控制命令交由处理器模块分析和处理；传感器节点通过无线通讯模块将采样的各项环境参数，发送至簇头节点，簇头节点经最短路径将监测数据传输到汇聚节点。汇聚节点通过无线通信模块，连接到系统网关，系统网关通过互联网络与远程监控系统建立连接，向远程监控平台接收和发送数据。系统网关及远程监控系统由监控系统平台、电动汽车充电桩充电信息数据库和报警控制系统构成，监控系统平台安装有嵌入式操作系统和监控程序，系统将采样的数据进行分析处理，以图形化界面显示出来，并且将数据进行备份，当刚获得的数据与库中数据进行对比出现异常时触发报警装置，提醒工作人员注意，以便采取必要的控制措施。
一个远程监控系统可以负责多个充电桩系统的监控，每个充电桩系统包含有多个充电桩，每个充电桩系统设置一个系统网关，每个充电桩设置一个汇聚节点，传感器节点将采集的数据通过改进型LEACH-C路由协议将数据送达汇聚节点，汇聚节点通过简单的数据处理再将有效数据及时的通过无线通信模块发送给系统网关，系统网关再将数据传送到远程监控系统，系统网关及远程系统便可以监测到所需要的充电桩充电过程的各项数据及充电状态，进行有效监控管理。本发明能有效的克服传统的充电监测方法的缺点，实现对电动汽车充电桩系统的实时有效监控，将电动汽车充电的各项参数控制在良好的状况，及时发现各项充电参数的变化，优化充电参数及过程，提高充电效率，在出现状态异常时，及时采取措施解除危险状况，避免充电事故对电动汽车、充电桩设备及动力电池造成的损害和对使用人员造成的损伤。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络的电动汽车充电桩监控系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线通信模块、系统网关及远程监控系统，无线传感器网络包括i个传感器节点、m个簇头节点、n个汇聚节点及系统网关，所述i、m、n均为自然数，所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点具有较强的计算能力和存储能力，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点发送和接收数据，汇聚节点将感知的数据发送给系统网关，从系统网关接收控制指令，无线传感器网络通过系统网关与远程监控中心建立连接，系统网关作为现场监控平台，配置有嵌入式操作系统、USB接口、10/100MHzETHERNET接口、GSM/GPRS通信模块和平板LCD显示输入系统，系统网关通过互联网和远程监控系统建立连接，向远程监控系统发送和接收数据，无线传感器网络采用改进型LEACH-C路由协议，无线网络中簇头节点的选取根据节点的剩余能量及成员节点到簇头的距离来确定，簇头将数据经最短路径传输给汇聚节点，传送到系统网关进行数据处理，提高了网络传输效率，降低了无线网络的能耗，延长了网络的生存时间。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，其特征在于：所述监控系统传感器包括温度传感器、湿度传感器、电流传感器、电压传感器、电量传感器、火焰传感器及电能质量传感器中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，其特征在于：所述传感器节点及汇聚节点的处理器模块信息采集控制器、无线通信模块采用片上系统CC2530，内置增强型微控制器和RF收发器，所述系统网关采用的控制器为高性能嵌入式处理器S3C6410。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络电动汽车充电桩监控系统，其特征在于：无线传感器网络采用改进型LEACH-C路由协议，对路由协议的改进，首先是无线网络中簇头节点的选取根据节点的剩余能量及成员节点到簇头的距离来确定，这样可以有效减少网络的能耗、提高簇的稳定性和生存时间，其次是簇头和汇聚节点的通信，簇头选择最短路径路由将数据传送给汇聚节点，可以选择多跳的方式，这样就减缓了作为簇头的节点由于长距离通信造成能量消耗过大的问题，降低了无线网络的能耗，延长了网络的生存时间，最后是每个簇采用不同的CDMA编码序列进行通信来减少相邻簇内节点的干扰，当一节点决定成为簇头时，它从一系列的扩频码中选择一种，在它的簇内使用，避免了相邻簇间的信息干扰。
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