CN108769942A - 基于zigbee广播与组播的无线同步采样系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统及方法，无线同步采样系统包括数据指令发起方协调器，数据指令转发跳转方路由器，将协调器发送的数据指令以广播形式发送出去实现数据指令同步的主节点，以及作为子节点的数据采集终端；协调器和路由器属于一个无线域网，采用组播方式进行通讯；路由器和主节点不属于同一个域网，通过232通讯；主节点和子节点属于同一个无线域网，采用广播和点对点的方式进行通讯。本发明的同步采样系统及方法施工量小，成本较低，不需要铺设大量通讯电缆，现场施工方便。

Description

基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统及方法
技术领域
本发明涉及同步采样技术，具体涉及一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统及方法。
背景技术
电力系统高压设备的介损、或阻性电流、或三相泄露电流相对角变化，是判断高压设备健康状态的重要特征参数。以避雷器为例，避雷器的阻性基波电流是避雷器运行的重要参数，阻性基波电流的增长意味着避雷器发生受潮或劣化故障，测量避雷器的阻性电流原理如图1所示，I是泄露电路基波向量，U是电压向量，I在U上的投影就是阻性基波电流。显然，要获得I和U的夹角，必须保证同步采样才行。
现有的实现同步采样的方法是将I和U通过信号电缆引入测量单元进行采样计算，如图2所示。但变电站内避雷器数量众多，采用这样的方法必然导致施工量很大，代价较高，且电缆长距离传输信号易受干扰。另外，数据传输也需要铺设大量通讯电缆，现场施工不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统及方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统，包括数据指令发起方协调器，数据指令转发跳转方路由器，将协调器发送的数据指令以广播形式发送出去实现数据指令同步的主节点，以及作为子节点的数据采集终端；
协调器和路由器属于一个无线域网，采用组播方式进行通讯；路由器和主节点不属于同一个域网，通过232通讯；主节点和子节点属于同一个无线域网，采用广播和点对点的方式进行通讯；
协调器是整个系统的发令者，负责所有指令的发起和接收路由上传的数据；
路由器负责维持网络，每个路由器都分配有一个固定的组号；路由器将协调器发送给终端的数据指令给转发给主节点，由主节点下发给子节点，当接收主节点上传的数据时，将数据上传给协调器；
主节点接收路由器下发的数据指令，若是同步指令或者需要群发的指令则以广播的方式发送给子节点，若是其他指令则以点对点通讯的方式发送给子节点；当接收到终端子节点上传的数据时，通过232通讯上传给路由，最终由路由上传给协调器；
子节点作为终端测量单元，分配有固定且唯一的设备号，负责采样信号，并将采样数据上传给主节点，最终由路由器上传给协调器。
一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样方法，包括以下步骤：
第一步，协调器通过定时设置，开始启动整个系统的信号采集工作；
第二步，协调器下发准备指令给第一组装置，让该组装置的三个终端子节点将要采集的信号连接引入子节点采集端，做好信号采集准备工作；
第三步，等待信号接入稳定后，协调器发送信号采集指令，三个子节点接收到主节点转发的同步采样指令，同步开始信号采集并存储；
第四步，等待信号采集工作完成后，协调器下发结束指令，让该组装置的三个终端子节点将要采集的信号与子节点采集端断开连接；
第五步，协调器依次向该组装置的三个终端子节点发送上传采集信号的数据指令，汇总处理该组装置的采样数据；
第六步，按照上述第二步到第五步向下一组装置发送指令，直至全部组装置数据采集完毕，等待定时条件满足后，开始启动新一轮信号采集。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明的同步采样系统及方法施工量小，成本较低，不需要铺设大量通讯电缆，现场施工方便。
附图说明
图1为测量避雷器的阻性电流原理图。
图2为常规避雷器在线监测系统结构图。
图3为Zigbee组播网络示意图。
图4为采用无线组播通讯的避雷器在线监测系统结构图。
图5为广播通讯方式网络示意图。
图6为基于ZIGBEE广播与组播的同步采样系统结构图。
图7为本发明实施例的FFT分析结果图。
具体实施方式
(1)Zigbee组播通讯
组播(也叫组网)就是网络中所有节点设备被分组后，网络中任意组的任意一节点都可以对某一已知组号(包扩自身所属的组号)的组进行数据发送的过程。Zigbee组播具有自组网能力，非常便于分布式数据采集及数据传输，但由于网络传输的延时，其无法实现信号同步的技术要求。图3为Zigbee组播网络示意图。图3中，黑色节点为协调器，灰色节点为路由，白色节点为终端。
协调器负责启动整个网络，它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PAN ID，即Personal Area Network ID),随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定。协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器。
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的终端设备的通讯。
Zigbee组播自动组网，网络容量大。Zigbee网络可容纳多达65000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。网络有星状、片状和网状网络结构。在有模块加入和撤出时，网络具有自动修复功能，当其中一个节点因意外状况退出网络时，不影响其他节点之间的通讯。
Zigbee组播通讯方式的协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等，设备从物理层接收到数据指令到应用层开始响应，经过的环节众多，响应具有不稳定的延时性。
综上所述，Zigbee组播通讯方式适用于对实时性要求不高的分布式的数据传输。采用组播通讯方式后，可以实现数据的无线传输。
图4为采用无线组播通讯的避雷器在线监测系统结构图。
(2)Zigbee广播通讯
广播就是网络中任意一节点设备发出广播数据，网络中其它的任意节点都能收到。
图5广播通讯方式网络示意图。图5中，选定带划线的节点为主节点(广播数据发送方)，其他三个节点为子节点(广播数据接收方)。
广播通讯时，广播数据由主节点直接发送到子节点，不经过其它跳转环节，广播数据传送至子节点可忽略不计，这种通信方式的缺点就是通讯距离有限，无法在。
广播通讯协议可精简到物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)，数据指令经过物理层和媒体访问控制层的时间是固定不变的，所以当主节点发送广播数据时，所有子节点从接收到广播数据指令到响应的时间是基本一致的(该时间误差可保持在10us以内，基本也可以忽略)。
综上所述，zigbee广播通讯方式可实现信号同步处理。将zigbee广播通讯方式和组播通讯方式结合，两者的优势互补，实现无线同步，无线传输。
(3)系统结构
本发明的同步系统由4部分组成：数据指令发起方协调器，数据指令转发跳转方，将协调器发送的数据指令以广播形式发送出去实现数据指令同步的主节点，数据采集终端。
协调器和路由属于一个无线域网，他们之间采用组播方式进行通讯；路由和主节点不属于同一个域网，他们之间需要通过232通讯；主节点和子节点属于同一个无线域网，他们之间采用广播和点对点的方式进行通讯。
协调器是整个系统的发令者，负责所有指令的发起和接收路由上传的数据。
路由负责维持网络，每个路由器都分配有一个固定的组号。路由将协调器发送给终端的数据指令给转发给主节点，由主节点下发给终端子节点，当接收主节点上传的数据时，将数据上传给协调器。
主节点接收路由下发的数据指令，若是同步指令或者需要群发的指令则以广播的方式发送给终端子节点，若是其他指令则以点对点通讯的方式发送给终端子节点，当接收到终端子节点上传的数据时，通过232通讯上传给路由，最终由路由上传给协调器。
子节点作为终端测量单元，分配有固定且唯一的设备号，负责采样信号，并将采样数据上传给主节点，最终由路由上传给协调器。
每一组测量装置含三个子节点、一个主节点和一个路由。整个系统含有若干个组和一个协调器组成。
系统结构图如图6所示。
(4)系统的工作步骤
整个系统的工作步骤：
第一步，协调器通过定时设置，开始启动整个系统的信号采集工作。
第二步，协调器下发准备指令给第一组装置，让该组装置的三个终端子节点将要采集的信号连接引入子节点采集端，做好信号采集准备工作。
第三步，间隔几秒钟，等待信号接入稳定后，协调器发送信号采集指令，三个字节点接收到主节点转发的同步采样指令，同步开始信号采集并存储。
第四步，间隔几秒钟，等待信号采集工作完成后，协调器下发结束指令，让该组装置的三个终端子节点将要采集的信号与子节点采集端断开连接。
第五步，协调器依次向该组装置的三个终端子节点发送上传采集信号的数据指令，汇总处理该组装置的采样数据。
第六步，按照上述第二步到第五步步骤开始向下一组装置发送指令，直至全部组装置数据采集完毕，等待定时条件满足后，开始启动新一轮信号采集。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
A相采样64个数据
1.6476,1.7362,1.8087,1.8571,1.8853,1.9014,1.9135,1.9054,1.8933,1.8329,1.7523,1.6476,1.5428,1.4260,1.2850,1.1239,0.9587,0.7855,0.6042,0.4149,0.2296,0.0363,-0.1531,-0.3464,-0.5358,-0.7251,-0.9023,-1.0756,-1.2407,-1.4059,-1.5469,-1.6637,-1.7644,-1.8530,-1.9296,-1.9779,-2.0021,-2.0142,-2.0222,-2.0262,-2.0061,-1.9497,-1.8732,-1.7725,-1.6677,-1.5469,-1.4059,-1.2528,-1.0796,-0.9104,-0.7332,-0.5398,-0.3585,-0.1652,0.0282,0.2216,0.4069,0.5962,0.7734,0.9507,1.1158,1.2810,1.4260,1.5388
B相采样64个数据
1.6959,1.7886,1.8611,1.9135,1.9336,1.9537,1.9578,1.9618,1.9417,1.8853,1.8127,1.7040,1.5992,1.4865,1.3414,1.1884,1.0232,0.8500,0.6687,0.4794,0.2981,0.1088,-0.0886,-0.2780,-0.4673,-0.6566,-0.8258,-1.0031,-1.1642,-1.3293,-1.4744,-1.5872,-1.6879,-1.7725,-1.8571,-1.9014,-1.9215,-1.9376,-1.9497,-1.9497,-1.9376,-1.8732,-1.8007,-1.7040,-1.5992,-1.4824,-1.3374,-1.1843,-1.0151,-0.8459,-0.6768,-0.4794,-0.2981,-0.1047,0.0846,0.2780,0.4673,0.6486,0.8298,1.0031,1.1642,1.3334,1.4784,1.5912
C相采样64个数据
1.8047,1.8933,1.9739,2.0262,2.0544,2.0706,2.0746,2.0746,2.0585,1.9980,1.9135,1.8087,1.6959,1.5791,1.4341,1.2689,1.0957,0.9185,0.7291,0.5317,0.3424,0.1490,-0.0524,-0.2538,-0.4471,-0.6405,-0.8218,-1.0031,-1.1682,-1.3414,-1.4905,-1.6073,-1.7040,-1.8007,-1.8853,-1.9296,-1.9537,-1.9698,-1.9779,-1.9819,-1.9658,-1.8973,-1.8208,-1.7161,-1.6154,-1.4905,-1.3414,-1.1843,-1.0071,-0.8339,-0.6526,-0.4512,-0.2659,-0.0604,0.1329,0.3344,0.5277,0.7211,0.9064,1.0836,1.2609,1.4260,1.5751,1.7000
如图7所示，FFT分析结果为：
A相初相角-31.0990度；
B相初相角-31.2556度；
C相初相角-31.1133度。
A相超前B相0.1566度，即同步时间差为8.8us；
A相超前C相0.0143度，即同步时间差为0.79us；
B相滞后C相0.1423度，即同步时间差为7.9us。
通过实际采样数据分析可得出结论：通过广播采样可达到同步采样的目的。

Claims (3)

1.一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统，其特征在于，包括数据指令发起方协调器，数据指令转发跳转方路由器，将协调器发送的数据指令以广播形式发送出去实现数据指令同步的主节点，以及作为子节点的数据采集终端；
协调器和路由器属于一个无线域网，采用组播方式进行通讯；路由器和主节点不属于同一个域网，通过232通讯；主节点和子节点属于同一个无线域网，采用广播和点对点的方式进行通讯；
协调器是整个系统的发令者，负责所有指令的发起和接收路由器上传的数据；
路由器负责维持网络，每个路由器均分配有一个固定的组号；路由器将协调器发送给终端的数据指令给转发给主节点，由主节点下发给子节点，当接收主节点上传的数据时，将数据上传给协调器；
主节点接收路由器下发的数据指令，若是同步指令或者需要群发的指令则以广播的方式发送给子节点，若是其他指令则以点对点通讯的方式发送给子节点；当接收到终端子节点上传的数据时，通过232通讯上传给路由，最终由路由上传给协调器；
子节点作为终端测量单元，分配有固定且唯一的设备号，负责采样信号，并将采样数据上传给主节点，最终由路由器上传给协调器。
2.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样系统，其特征在于，整个无线同步系统由若干个组和一个协调器组成，每一组装置包含多个子节点、一个主节点和一个路由。
3.一种基于ZIGBEE广播与组播的无线同步采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，协调器通过定时设置，开始启动整个系统的信号采集工作；
第二步，协调器下发准备指令给第一组装置，让该组装置的三个终端子节点将要采集的信号连接引入子节点采集端，做好信号采集准备工作；
第三步，等待信号接入稳定后，协调器发送信号采集指令，三个子节点接收到主节点转发的同步采样指令，同步开始信号采集并存储；
第四步，等待信号采集工作完成后，协调器下发结束指令，让该组装置的三个终端子节点将要采集的信号与子节点采集端断开连接；
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