CN107018549A - 用于变电站的无线测温传感器网络及其组网工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于变电站的无线测温传感器网络，装置包括：底层测温传感器节点、上层路由节点、网关和监测站。底层无线测温传感器节点收集到的数据经过底层自组网络发送到路由节点，路由节点通过ZigBee网络将这些数据发送到网关处进行相应处理，以完成数据的采集和处理。底层自组网络采用SUB‑G频段自组网络协议，路由器节点之间的采用的为ZigBee网络，为了降低单个传感器节点成功接入信道需进行退避的次数，节点采用基于时隙划分机制的CSMA/CA信道接入方式。同时在ZigBee协议网络中为了寻找最佳路径，采用的是最低丢包率路径优先路由算法，通过总路径的丢包率大小决定最短路由路径。

Description

用于变电站的无线测温传感器网络及其组网工作方法
技术领域
本发明涉及变电站，特别是一种用于变电站环境的无线测温传感器网络及其组网工作方法，该组网方案可以推广至对传感器节点能耗要求比较严苛的其他无线传感器网络应用场合中。
背景技术
当今电力系统中，无线传感器网络(Wireles Sensor Network,WSN)的协作、低成本、易安装以及灵活性使其相对传统的通信技术具有显著优势。无线传感器网络最新的研究进展使得低成本的嵌入式电力监测和诊断系统实现完全可行。在这些系统中，无线多功能传感器节点安装在智能电网的关键设备处并监控各个设备运行的关键参数，使得智能电网可以针对不断变化的环境及时地进行响应。从这方面来说，无线传感器网络技术在创建和维护一个高可靠和高自愈的智能电力系统中至关重要。无线传感器网络在智能电网中现有的和潜在的应用非常广泛，包括无线自动抄表(Wireless Awtomatic Meter Readingsystem,WAMR)，远程系统检测和设备故障检测等。然而，目前这些应用的实现都直接取决于已部署的无线传感器网络可靠有效的通信能力，而苛刻复杂的电力系统环境对无线传感器网络通信的可靠性提出了巨大挑战。另外，考虑到电力系统高温高压环境以及传感器节点安装的位置，经常性地更换传感器节点是非常麻烦不现实的。现在大多数的无线传感器网络都是采用有源供电方式，比如电池供电，导致无线传感器网络的生存周期有限。因此，为了延长整个网络的生存时间，节能是无线传感器网络通信协议设计时需要重点考虑的因素。
经过对现有技术的检索发现，中国公开专利号201120056219.5提出了一种基于ZigBee无线技术的无线测温系统，旨在克服有线测温传感器在抗干扰、绝缘和安装尺寸等方面的缺陷，并具有自组网能力。但该文并没有提出有效的降低传感器节点能耗的方案，以延长系统的免维护时间。中国公开专利号为201420651204.7提出的一种具有无线组网功能的变电站母线智能测温系统，该系统提供一种能够全面覆盖变电站母线的温度测点，实现对整个变电站电气设备的智能监控。但与前者类似，虽然功能上解决了电气设备无线测温问题，但未考虑测温传感器节点电池供电有限的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题主要是针对以上系统对于传感器节点能耗的不足，提供一种用于变电站的无线测温传感器网络，降低传感器节点的能耗，延长系统后期的免维护时间。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于变电站的无线测温传感器网络，包括：底层测温传感器节点、上层路由节点、网关和监测站，其特点在于，所述的底层测温传感器节点采用SUB-G频段自组网，所述的底层测温传感器节点与所述的上层路由节点之间采用串行外设接口通信，所述的上层路由节点之间采用低功耗局域网络传输信号，所述的上层路由器节点和所述的网关之间传输信号，所述的网关与所述的监测站之间传输信号。
所述的路由节点包括与底层测温传感器节点通信的SUB-G芯片和与所述的网关通信的ZigBee芯片，这两者之间采用SPI串口协议进行数据通信。
所述的传感器节点采用基于时隙的载波侦听多路访问信道接入机制，传感器叶子节点根据自己所在子网络中传感器节点的数目将一个通信周期进行等分，节点随机选择其中的一个时隙与路由节点进行通信。由于无法完全避免节点同时醒来后发生竞争信道的情况，在随机接入信道时隙时间后加入一段竞争时间解决这一问题。
上述用于变电站的无线测温传感器网络的组网工作方法，包括以下步骤：
1)底层测温传感节点对温度进行采样，在底层测温传感器网络中传输；
2)底层测温传感器节点将采集到的温度信息通过SPI通信传给上层路由节点；
3)上层路由节点通过ZigBee组网将温度信息数据包传输给网关；
4)所述的网关将温度信息数据包解析得到节点信息和温度值，写入数据库中，供监测站监测、显示；
5)监测站将监测结果经所述的网关、上层路由节点和底层测温传感节点，同时底层网络根据监测站发出的指令进行相应的处理。
所述的上层路由节点采用的是最低丢包率路径优先路由算法，该算法实现的核心是基于路由发现过程得到的网络链路状态，各节点存储的网络链路状态表中记录的是两个路由节点间接收消息时RF模块测量得到的接收信号强度值RSSI，通过该值计算两节点间路由路径上的总误码率可以得到路径的总丢包率。
一种用于变电站环境的无线测温传感器网络，即底层测温传感器与路由节点间采用SUB-G频段组网降低传感器节点能耗并提高无线信号的绕射能力，路由节点间则采用2.4G ZigBee协议以提高数据传输的稳定性。
本系统结合电力系统多障碍物的应用环境提出了分层簇树网络拓扑结构。
所述的路由节点是作为整个无线传感器网络的骨干节点，需要同时支持ZigBee组网协议与底层SUB-G频段组网协议。底层无线传感器节点收集到的数据经过底层自组网络发送到路由节点，路由节点通过ZigBee网络将这些数据发送到网关进行相应处理，以完成数据的采集和处理。
为了降低单个传感器节点成功接入信道需进行退避的次数，节点MAC层采用基于时隙划分机制的CSMA/CA信道接入方式。
ZigBee协议网络层采用的是最低丢包率路径优先路由算法，通过总路径的丢包率大小决定最短路由路径。
附图说明
图1为本发明用于变电站环境的无线测温传感器网络的示意图；
图2是无线传感器网络分层簇树拓扑结果逻辑示意图
图3是路由节点硬件结构
图4基于时隙的CSMA/CA信道接入机制
图5路由算法实现过程
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明系统的框图如图1所示，本发明用于变电站环境的无线测温传感器网络分为三个模块：传感器网络、网关和监测站，通过目标检测区域(如变电站或者输电网络杆塔)大量铺设的传感器节点测量关键节点设备的运行状态并将其传输到监测站进行显示，同时底层网络根据监测站发出的指令进行相应的处理。
本发明网络拓扑结构如图2所示。整个无线传感器网络由两个子网络组成：作为网络骨干节点的路由器形成的上层网络和测温传感节点形成的底层网络。上层网络作为整个网络的骨干系统，主要功能是实现底层测温传感器节点的测量数据的汇聚与转发。底层网络中的传感器子节点根据自身与路由节点的通信距离形成一个个独立的子网络，完成传感数据的采集和上层网络命令的响应。
本发明无线传感器网络的路由节点硬件如图3所示。路由节点采用是TI公司的CC430和CC2530芯片，这两款芯片都是集成了一个MCU处理内核和RF内核的SoC片上系统。CC430主要负责与底层的自取能传感器节点组网通信，CC2530则是负责维持路由节点之间的ZigBee网络通信，两者之间的数据交换则采用SPI协议。
图4是本发明采用的基于时隙的CSMA/CA信道接入机制示意图。传感器子节点根据自己所在子网络中传感器节点的数目将一个通信周期进行等分，节点随机选择其中的一个时隙与路由节点进行通信。之所以采用随机的方式，是为了减少控制消息带来的额外消耗。由于无法完全避免节点同时醒来后发生竞争信道的情况，所以在随机接入信道时隙时间后加入一段竞争时间解决这一问题。
图5则是ZigBee协议网络层采用的最低丢包率路径优先算法实现过程。最低丢包率路径优先路由算法的核心是基于路由发现过程得到的网络链路状态。本系统设计中各节点存储的网络链路状态表中记录的是两个路由节点间接收消息时RF模块测量得到的接收信号强度值RSSI(Received Signal Strength Indication)，利用该RSSI参数值可以计算节点采用ASK调制方式时的误比特率，如公式(1)所示：
式中，Eb/N0为信噪比(平均比特能量与噪声功率谱密度的比值)，假设路由节点接收到长度为L bits数据包的信号强度为Pr，则平均比特能量Eb为Pr/L，该链路丢包率Pf为1-(1-Pe)L，若从源节点到目的节点需经过N跳路由，那么此路径的总丢包率按公式(2)计算：
因此，通过计算两节点间路由路径上的总误码率可以得到路径的总丢包率。若从源节点到当前节点的前向路由总误码率为Ppre，当前节点到路由目的节点的反向路由总误码率为Pcur，那么此路径从源节点到目的节点的整个路径总误码率如公式(3)所示：
Ptotal＝1-(1-Ppre)(1-Pcur) (3)
在路由发现过程中，如果新路径的总丢包率更低，则更新相应的路由表项。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于变电站的无线测温传感器网络，包括：底层测温传感器节点、上层路由节点、网关和监测站，其特征在于，所述的底层测温传感器节点采用SUB-G频段自组网，所述的底层测温传感器节点与所述的上层路由节点之间采用串行外设接口通信，所述的上层路由节点之间采用低功耗局域网络传输信号，所述的上层路由器节点和所述的网关之间传输信号，所述的网关与所述的监测站之间传输信号。
2.根据权利要求1所述的用于变电站的无线测温传感器网络，其特征在于：所述的路由节点包括与底层测温传感器节点通信的SUB-G芯片和与所述的网关通信的ZigBee芯片，这两者之间采用SPI串口协议进行数据通信。
3.根据权利要求1所述的用于变电站的无线测温传感器网络，其特征在于：所述的传感器节点采用基于时隙的载波侦听多路访问信道接入机制，传感器叶子节点根据自己所在子网络中传感器节点的数目将一个通信周期进行等分，节点随机选择其中的一个时隙与路由节点进行通信。由于无法完全避免节点同时醒来后发生竞争信道的情况，在随机接入信道时隙时间后加入一段竞争时间解决这一问题。
4.根据权利要求1所述的所述的用于变电站的无线测温传感器网络的组网工作方法，其特征在于：所述网络工作方法包括以下步骤：
1)底层测温传感节点对温度进行采样，在底层测温传感器网络中传输；
2)底层测温传感器节点将采集到的温度信息通过SPI通信传给上层路由节点；
3)上层路由节点通过ZigBee组网将温度信息数据包传输给网关；
4)所述的网关将温度信息数据包解析得到节点信息和温度值，写入数据库中，供监测站监测、显示；
5)监测站将监测结果经所述的网关、上层路由节点和底层测温传感节点，同时底层网络根据监测站发出的指令进行相应的处理。
5.根据权利要求4所述的组网方法，其特征在于：所述的上层路由节点采用的是最低丢包率路径优先路由算法，该算法实现的核心是基于路由发现过程得到的网络链路状态，各节点存储的网络链路状态表中记录的是两个路由节点间接收消息时RF模块测量得到的接收信号强度值RSSI，通过该值计算两节点间路由路径上的总误码率可以得到路径的总丢包率。
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