CN109347505B - 应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统及方法 - Google Patents

应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统及方法，其中系统包括就地测控装置和测控后台，所述的就地测控装置包括MCU微处理单元和第一LoRa无线收发模块，所述的测控后台包括第二LoRa无线收发模块，所述的各就地测控装置之间通过第一LoRa无线收发模块通讯，所述的各就地测控装置与测控后台之间通过第一LoRa无线收发模块和第二LoRa无线收发模块通讯。与现有技术相比，本发明具有以下优点：三种通讯方式确保就地测控装置与测控后台的通讯，进一步确保了无线通讯方式在大型变电站内的数据稳定性和应用可靠性。

Description

应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统及方法
技术领域
本发明涉及大型变电站监测领域，尤其是涉及一种应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统及方法。
背景技术
目前电力行业高速发展，电压等级已发展到交流1000kV、直流±1100kV，单个变电站容量占区域负荷比例极高，直流输电系统闭锁或交流变电站跳闸都会造成整个区域电网的频率、电压大幅波动，因此大型变电站积极开发数字化、智能化的监测手段，提高变电站运维的安全可靠水平。大型变电站针对室外开关汇控柜、闸刀端子箱、PT端子箱、CT端子箱等装置需要监测各类状态量信号，对消防水池、工业水池需要监测液位、水量等状态量细化，单个大型变电站监测点的数量往往超过1000个，监测数据采用无线传输方式有利于改造工程的施工以及后期监测点的扩展。但是由于端子箱等均采用不锈钢密闭柜体结构，类似于法拉第笼，而消防水池、工业水池等与主控室之间无线传输往往需要穿透数层水泥墙，在这类较强的电磁屏蔽环境下，常规无线信号难以穿透屏蔽层，实现监测点到测控后台之间的正常通讯。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统，包括就地测控装置和测控后台，其特征在于，所述的就地测控装置包括MCU微处理单元和第一LoRa无线收发模块，所述的测控后台包括第二LoRa无线收发模块，各所述的就地测控装置之间通过第一LoRa无线收发模块通讯，各所述的就地测控装置与测控后台之间通过第一LoRa无线收发模块和第二LoRa无线收发模块通讯。
优选地，所述的第一LoRa无线收发模块的发射装置的规格包括：通信接口为UART，最大功率为100mW，供电电压为2.0V～5.5V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为90mA，接收电流为18mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为3000米；所述的第一LoRa无线收发模块的接收装置的规格包括：通信接口为RS232/485，最大功率为100mW，供电电压为8V～28V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为160mA，接收电流为68mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为3000米。
优选地，所述的第二LoRa无线收发模块的发射装置为：
通信接口为UART，最大功率为1W，供电电压为2.5V～5.5V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为450mA，接收电流为18mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为8000米。
优选地，所述的第二LoRa无线收发模块的接收装置为：
通信接口为RS232/485，最大功率为1W，供电电压为8V～28V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为570mA，接收电流为68mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为8000米。
优选地，所述的就地测控装置和测控后台的通讯共分为三种方式：
方式一为现场测控装置与测控后台直接无线通讯；
方式二是为每一个目标就地测控装置都预先配置一个默认的中转测控装置，作为该就地测控装置的固定信号中继电台，确保方式一通讯失败后可以有效与测控后台进行数据传输；
方式三是某就地测控装置通过方式二与测控后台通讯失败后，将会根据中继策略表预先设定的优先级，逐一选择中继装置尝试通讯，直至成功获取数据，并将该装置作为目标就地测控装置的中继电台存储在中继策略表中，此后与该目标测控装置的通讯即转为方式二通讯，若再失败，则重新启用方式三通讯。
一种所述的应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统的方法，包括以下步骤：
步骤1、测控后台及就地测控装置初始化完毕后，在需要测量数据或发送控制信号时，测控后台首先以就地测控装置与测控后台直接通讯的方式对所有就地测控装置发出指令，若通讯成功，就以直接收发方式完成测控任务；若未能通讯成功，则执行步骤2；
步骤2、每一个就地测控装置都预先配置一个默认的中转测控装置，作为该就地测控装置的固定信号中继电台，该就地测控装置通过其固定信号中继电台与测控后台进行数据传输，若通讯成功则以中继策略表内固定的中继电台收发方式完成测控任务；若未能通讯成功，则执行步骤3；
步骤3、根据中继策略表预先设定的优先级，逐一选择中继装置尝试通讯，直至成功获取数据，并将该中继装置作为目标测控装置的中继电台存储在中继策略表中，转至步骤2，若中继策略表中的中继装置均未能通讯成功则返回相应就地测控装置故障告警信号。
优选地，所述的步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、根据与测控后台的直线距离、间隔柜体或墙体数量，对变电站划分若干区域；
步骤3.2、区域内根据各就地测控装置通讯可靠性的权重顺序，其中数值大者排序靠前，在步骤1、步骤2均通讯失败前提下，自动检索所在区域内权重靠前10的测控装置作为中继电台，从第1位到第10位依次尝试利用临时中继与测控后台通讯；
步骤3.3、通讯成功后，则将对应的临时中继转为目标测控装置的固定中继，并更新中继策略表。
优选地，所述的布置3.2中各就地测控装置通讯可靠性的权重值计算公式为：
Figure BDA0001833883890000031
其中E(Zx)为权重值，Zx为就地测控装置编号，L为其与测控后台的直线距离，Lm为场内最远汇控柜距离主控室直线距离，nw为信号直线传输路径穿越墙体数量，d为墙体厚度，nc为信号直线传输路径穿越不锈钢柜体数量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、利用低发射功率、高灵敏度的无线通讯模块，克服大型变电站内强电磁屏蔽环境下的无线通讯问题，具备优异的电磁兼容性能，不影响变电站二次设备、继电器等装置的运行。
2、利用现场就地测控装置构建了物联网系统，采用无线通讯技术，每个测控装置内的无线收发模块均可以与测控后台的无线模块通讯，也可以与其他测控装置的无线模块通讯，可互相转发命令帧及数据帧，从而在全体就地测控装置之间形成了可进行信息交互的物联网络。
3、设计的三种通讯方式，确保就地测控装置与测控后台的通讯。在方式一通讯失败情况下，可以采取方式二、方式三两种通过中继电台通讯的技术方法，进一步确保了无线通讯方式在大型变电站内的数据稳定性、应用可靠性。
4、设计了发送、转发、回传的数据帧格式，包括测控后台下发的命令帧、中继测控装置转发的命令帧、测控装置返回的数据帧、中继测控装置接收的数据帧、测控后台接收的数据帧。
5、就地测控装置具备大规模扩展的能力，无需重新设计系统、无需现场布线，可随时增加测量点。对于大型变电站监控范围和监控对象的升级，具有精确、简洁、可靠等方面的优点。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的测控装置与测控后台直接通讯的连接示意图；
图3为本发明的利用中继策略表中预先设置的测控装置作为固定信号中继的连接示意图；
图4为本发明的利用区域划分表中优先级自动查找测控装置作为信号中继的连接示意图；
图5为本发明的通讯方法流程图；
图6为本发明的测控装置与测控后台之间通讯的三种方式示意图；
图7为本发明的中继通讯的数据帧格式。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统，包括就地测控装置和测控后台，所述的就地测控装置包括MCU微处理单元和第一LoRa无线收发模块，所述的测控后台包括第二LoRa无线收发模块，所述的各就地测控装置之间通过第一LoRa无线收发模块通讯，所述的各就地测控装置与测控后台之间通过第一LoRa无线收发模块和第二LoRa无线收发模块通讯。
如表1所示，所述的第一LoRa无线收发模块的发射装置的规格包括：通信接口为UART，最大功率为100mW，供电电压为2.0V～5.5V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为90mA，接收电流为18mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为3000米；所述的第一LoRa无线收发模块的接收装置的规格包括：通信接口为RS232/485，最大功率为100mW，供电电压为8V～28V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为160mA，接收电流为68mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为3000米。
所述的第二LoRa无线收发模块的发射装置的规格包括：通信接口为UART，最大功率为1W，供电电压为2.5V～5.5V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为450mA，接收电流为18mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为8000米；所述的第二LoRa无线收发模块的接收装置的规格包括：通信接口为RS232/485，最大功率为1W，供电电压为8V～28V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为570mA，接收电流为68mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为8000米。
表1
Figure BDA0001833883890000051
Figure BDA0001833883890000061
如图5～6所示，一种采用所述的应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统的方法，包括以下步骤：
步骤1、如图2所示，测控后台及就地测控装置初始化完毕后，在需要测量数据或发送控制信号时，测控后台首先以就地测控装置与测控后台直接通讯的方式对所有就地测控装置发出指令，若通讯成功，就以直接收发方式完成测控任务；若未能通讯成功，则执行步骤2；
步骤2、如图3所示，每一个就地测控装置都预先配置一个默认的中转测控装置，作为该就地测控装置的固定信号中继电台，该就地测控装置通过其固定信号中继电台与测控后台进行数据传输，若通讯成功则以中继策略表内固定的中继电台收发方式完成测控任务；若未能通讯成功，则执行步骤3；
步骤3、如图4所示，根据中继策略表预先设定的优先级，逐一选择中继装置尝试通讯，直至成功获取数据，并将该中继装置作为目标测控装置的中继电台存储在中继策略表中，转至步骤2，若中继策略表中的中继装置均未能通讯成功则返回相应就地测控装置故障告警信号。
所述的步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、根据与主控室的直线距离、间隔柜体或墙体数量，对大型变电站划分若干区域；
步骤3.2、区域内根据各测控装置通讯可靠性的权重顺序(数值大者排序靠前)，在步骤1、步骤2均通讯失败前提下，自动检索所在区域内权重靠前10的测控装置作为中继电台，从第1位到第10位依次尝试利用临时中继与测控后台通讯；
步骤3.3、通讯成功后，则将对应的临时中继转为目标测控装置的固定中继，并更新中继策略表。
所述的布置3.2中各就地测控装置通讯可靠性的权重值计算公式为：
Figure BDA0001833883890000071
其中E(Zx)为权重值，Zx为就地测控装置编号，L为其与主控室的直线距离，Lm为场内最远汇控柜距离主控室直线距离，nw为信号直线传输路径穿越墙体数量，d为墙体厚度，nc为信号直线传输路径穿越不锈钢柜体数量。
本发明的原理：现场测控装置构成物联网系统，通讯采用LoRa技术，每个测控装置内的LoRa无线收发模块均可以与测控后台的LoRa模块通讯，也可以与其他测控装置的LoRa模块通讯，可互相转发命令帧及数据帧，从而在测控装置Z1至Zn之间形成了可进行信息交互的物联网络。
MCU微处理单元：采用的单片机工作电压为直流5V，具备丰富的输入/输出端口资源(共计11个端口)，端口引脚为复用口，具备多种功能，同时还集成了多种功能模块，确保了就地测控装置各项功能的可拓展性。
LoRa无线通讯模块：高稳定性、工业级的无线数传电台，采用LoRa扩频传输技术，数据传输稳定性高，穿越电磁屏蔽能力强，工作频段在410MHz-441MHz免申请频段。最大的优点是每个模块均具备数据收发功能，既可以作为终端，也可以作为中继电台。
如图7所示，在本发明的通讯协议中，设计了发送、转发、回传的数据帧格式，包括测控后台下发的命令帧、中继测控装置转发的命令帧、测控装置返回的数据帧、中继测控装置接收的数据帧、测控后台接收的数据帧。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种采用应用于强电磁屏蔽环境的物联网无线通讯系统的方法，其特征在于，所述的系统包括就地测控装置和测控后台，其特征在于，所述的就地测控装置包括MCU微处理单元和第一LoRa无线收发模块，所述的测控后台包括第二LoRa无线收发模块，各所述的就地测控装置之间通过第一LoRa无线收发模块通讯，各所述的就地测控装置与测控后台之间通过第一LoRa无线收发模块和第二LoRa无线收发模块通讯，
所述的方法包括以下步骤：
步骤1、测控后台及就地测控装置初始化完毕后，在需要测量数据或发送控制信号时，测控后台首先以就地测控装置与测控后台直接通讯的方式对所有就地测控装置发出指令，若通讯成功，就以直接收发方式完成测控任务；若未能通讯成功，则执行步骤2；
步骤2、每一个就地测控装置都预先配置一个默认的中转测控装置，作为该就地测控装置的固定信号中继电台，该就地测控装置通过其固定信号中继电台与测控后台进行数据传输，若通讯成功则以中继策略表内固定的中继电台收发方式完成测控任务；若未能通讯成功，则执行步骤3；
步骤3、根据中继策略表预先设定的优先级，逐一选择中继装置尝试通讯，直至成功获取数据，并将该中继装置作为目标测控装置的中继电台存储在中继策略表中，转至步骤2，若中继策略表中的中继装置均未能通讯成功则返回相应就地测控装置故障告警信号；
所述的步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、根据与测控后台的直线距离、间隔柜体或墙体数量，对变电站划分若干区域；
步骤3.2、区域内根据各就地测控装置通讯可靠性的权重顺序，其中数值大者排序靠前，在步骤1、步骤2均通讯失败前提下，自动检索所在区域内权重靠前10的测控装置作为中继电台，从第1位到第10位依次尝试利用临时中继与测控后台通讯；
步骤3.3、通讯成功后，则将对应的临时中继转为目标测控装置的固定中继，并更新中继策略表；
所述的步骤3.2中各就地测控装置通讯可靠性的权重计算公式为：
Figure FDA0002530894010000021
其中E(Zx)为权重，Zx为就地测控装置编号，L为其与测控后台的直线距离，Lm为场内最远汇控柜距离主控室直线距离，nw为信号直线传输路径穿越墙体数量，d为墙体厚度，nc为信号直线传输路径穿越不锈钢柜体数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一LoRa无线收发模块的发射装置的规格包括：通信接口为UART，最大功率为100mW，供电电压为2.0V～5.5V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为90mA，接收电流为18mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为3000米；所述的第一LoRa无线收发模块的接收装置的规格包括：通信接口为RS232/485，最大功率为100mW，供电电压为8V～28V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为160mA，接收电流为68mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为3000米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二LoRa无线收发模块的发射装置为：
通信接口为UART，最大功率为1W，供电电压为2.5V～5.5V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为450mA，接收电流为18mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为8000米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二LoRa无线收发模块的接收装置为：
通信接口为RS232/485，最大功率为1W，供电电压为8V～28V，空中速率为0.3K-19.2Kbps，天线形式为SMA-K，发射电流为570mA，接收电流为68mA，工作频段为410-441MHz，波特率为1200～115200bps，参考距离为8000米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的就地测控装置和测控后台的通讯共分为三种方式：
方式一为现场测控装置与测控后台直接无线通讯；
方式二是为每一个目标就地测控装置都预先配置一个默认的中转测控装置，作为该就地测控装置的固定信号中继电台，确保方式一通讯失败后可以有效与测控后台进行数据传输；
方式三是某就地测控装置通过方式二与测控后台通讯失败后，将会根据中继策略表预先设定的优先级，逐一选择中继装置尝试通讯，直至成功获取数据，并将该装置作为目标就地测控装置的中继电台存储在中继策略表中，此后与该目标测控装置的通讯即转为方式二通讯，若再失败，则重新启用方式三通讯。
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