CN110247961A - 一种应用于电力物联网的混合通信方法及系统 - Google Patents

一种应用于电力物联网的混合通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于电力物联网的混合通信方法及系统，电力物联网内的汇聚节点与可见光通信范围内的感知节点组成可见光通信网络，汇聚节点与LoRa通信范围内的感知节点组成LoRa通信网络；感知节点通过LoRa通信网络或可见光通信网络向汇聚节点传输状态信息；汇聚节点根据信号强度决定感知节点的信息传输方法，并通过相应通信网络向感知节点传输控制信息；感知节点根据上述信号强度配置的传输方式进行信息传输；若遇到告警信息，则通过两种通信方式同时传输告警信息。采用本发明能实现远程实时监测电力设备的状态，具有传输速率快、信息碰撞概率低的特点；能大大提高感知节点的使用寿命且能显著提高传输的可靠性和稳定性。

Description

一种应用于电力物联网的混合通信方法及系统
技术领域
本发明涉及电力物联网信息传输领域，尤其涉及一种应用于电力物联网的混合通信方法及系统。
背景技术
随着物联网技术的迅速发展，物联网技术在各个领域都得到了广泛的应用，尤其在电力系统领域。通过物联网技术对电力设备进行状态监测，可以实时远程监测电力设备的状态，相比于传统的人工巡检更加方便快捷，而且有利于对设备状态进行统一管理。
目前传统的物联网信息传输方法主要利用蓝牙、WIFI、LoRa等无线传输技术和电力光纤、电力线载波等有线传输技术来实现，但是单一使用蓝牙、WIFI等无线传输技术存在容易受到环境干扰、频率资源受限等问题，也会因节点间距离过远而信号无法覆盖。使用有线方式连接会带来布线复杂的问题，不适用于大规模建设的电力物联网。因此，现有的电力物联网信息传输存在稳定性差、可靠性差、应用范围窄等问题，需要结合多种通信技术来增强数据传输网络的可靠性。
现有的无线通信技术中，LoRa通信具有低功耗、通信距离长、频谱资源丰富等优点；可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、频谱资源丰富、通信距离长、通信保密等优点，同时能够进行无线充电。因此，将LoRa通信和可见光通信结合应用到电力物联网这种电磁环境复杂、通信距离广阔的场景，具有很好的使用效果。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于电力物联网的混合通信方法及系统，实现远程实时监测电力设备的状态，具有传输速率快、信息碰撞概率低的特点。
技术方案：本发明提出一种应用于电力物联网的混合通信方法，所述方法包括以下步骤：
(1)电力物联网内的汇聚节点与可见光通信范围内的感知节点组成可见光通信网络，汇聚节点与LoRa通信范围内的感知节点组成LoRa通信网络；
(2)感知节点通过LoRa通信网络或可见光通信网络向汇聚节点传输状态信息；
(3)汇聚节点根据信号强度决定感知节点的信息传输方法，并通过相应通信网络向感知节点传输控制信息；
(4)感知节点根据上述信号强度配置的传输方式进行控制信息传输和状态信息传输；若遇到告警信息，则通过两种通信方式同时传输告警信息。
所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)电力物联网内的至少一个感知节点通过LoRa通信的方式向所述汇聚节点传输状态信息；
(22)电力物联网内的至少一个感知节点通过可见光通信的方式向所述汇聚节点传输状态信息。
步骤(3)所述的信号强度包括可见光通信方式的信号强度和LoRa通信方式的信号强度。
所述可见光通信方式的信号强度为汇聚节点的接收功率，通过可见光通信接收器直接测得，其接收功率PG为：
其中，m为LED的朗伯系数，和ω分别为可见光通信的出射角和入射角，为汇聚节点的接收器的光滤波器增益，g(ω)为感知节点的透镜增益，P0为感知节点的发射功率；d为感知节点与汇聚节点的传输距离，A为汇聚节点的接收器的感光面积。
所述LoRa通信方式的信号强度表示为所述汇聚节点的接收功率,其接收功率PL为：
其中，λ为射频载波波长，n为路径损耗系数，在自由空间一般取2；d为感知节点与汇聚节点的传输距离，Pt为感知节点的发射功率。
所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)定义参数η＝PG/PL，表示所述汇聚节点将接收到的感知节点的可见光通信信号强度与LoRa通信信号强度进行比较；
(32)若η≥1，则选择可见光通信方式作为主要传输方式，并通过可见光通信网络向相应的感知节点传输控制信息；
(32)若η＜1，则选择LoRa通信方式作为主要传输方式，并通过LoRa通信网络向相应的感知节点传输控制信息。
本发明所述的一种应用于电力物联网的混合通信的系统，包括可见光通信模块、LoRa通信模块、感知模块及汇聚模块；所述感知模块通过LoRa通信模块和可见光通信模块向汇聚模块传输状态信息；所述汇聚模块根据信号强度决定感知模块的信息传输方法，并通过相应通信模块向感知模块传输控制信息，感知模块根据控制信息切换信息传输网络，并进行状态信息传输；所述感知模块根据上述信号强度配置的传输方式进行信息传输；若遇到告警信息，则通过可见光通信模块和LoRa通信模块同时传输告警信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明采用了LoRa通信和可见光通信相结合的方式进行监测信息的采集，能够在远程实时观察到电力系统设备的状态；2、本发明采用了LoRa通信和可见光通信相结合的方式进行监测信息的采集，能够弥补单一使用一种无线通信方式的不足；3、本发明采用LoRa通信和可见光通信相结合的方式进行信息的传输，LoRa通信的优点是低功耗远距离，它最大特点就是在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍，可见光通信的发射器件是普通LED灯，LED灯的功耗仅是传统白炽灯的20％，并且能够在通信的同时对感知节点进行充电，这两种方式同时使用能够有效延长电力物联网感知节点的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的一种应用于电力物联网的混合通信方法的流程示意图；
图2为一种应用于电力物联网的混合通信系统的结构示意图；
图3为本发明提供的可见光通信方式的流程示意图；
图4为本发明提供的一种应用于电力物联网的混合通信方法的信令示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明包括以下步骤：
1、电力物联网内的汇聚节点与可见光通信范围内的感知节点组成可见光通信网络，汇聚节点与LoRa通信范围内的感知节点组成LoRa通信网络。
图2为一种应用于电力物联网的混合通信系统的结构示意图，包括可见光通信模块、LoRa通信模块、感知模块及汇聚模块；所述感知模块通过LoRa通信模块和可见光通信模块向汇聚模块传输状态信息；所述汇聚模块根据信号强度决定感知模块的信息传输方法，并通过相应通信模块向感知模块传输控制信息，感知模块根据控制信息切换信息传输网络，并进行状态信息传输；所述感知模块根据上述信号强度配置的传输方式进行信息传输；若遇到告警信息，则通过可见光通信模块和LoRa通信模块同时传输告警信息.详细描述如下：
U1、U2、U3、U4、G1、G2、G3、L1、L2为电力物联网内的感知节点，H为电力物联网内的汇聚节点，图中实线表示感知节点与汇聚节点存在LoRa通信连接，可进行LoRa通信；虚线表示感知节点与汇聚节点存在可见光通信连接，可进行可见光通信。
由于L1、L2与汇聚节点之间存在墙壁或障碍物(红线)阻隔，没有光的直达径，因此只能选择LoRa通信；而G1、G2、G3所处的电磁环境比较复杂，无法进行LoRa通信，因此只能选择可见光通信。
感知节点U1、U2、U3、U4、G1、G2、G3和汇聚节点H通过可见光通信技术组成可见光通信网络，该网络内的感知节点可利用该可见光网络进行信息传输。
感知节点U1、U2、U3、U4、L1、L2和汇聚节点H通过LoRa通信技术组成LoRa通信网络，该网络内的感知节点可利用该LoRa网络进行信息传输。
2、感知节点通过所述LoRa通信网络或可见光通信网络向所述汇聚节点传输状态信息。
电力物联网内的至少一个感知节点通过LoRa通信的方式向所述汇聚节点传输状态信息；电力物联网内的至少一个感知节点通过可见光通信的方式向所述汇聚节点传输状态信息。
感知节点U1、U2、U3、U4、G1、G2、G3中一个或多个节点通过可见光通信的方式将各自的信息传输给汇聚节点；感知节点U1、U2、U3、U4、L1、L2中一个或多个节点通过LoRa通信的方式将各自的信息传输给汇聚节点。传输信息的时间取决于感知节点的监测周期。
3、汇聚节点根据信号强度决定所述感知节点的信息传输方法，并通过相应通信网络向感知节点传输控制信息。
信号强度包括可见光通信方式的信号强度和LoRa通信方式的信号强度：
可见光通信方式的信号强度表示为所述汇聚节点的接收功率，可通过可见光通信接收器直接测得，其接收功率PG为：
其中，m为LED的朗伯系数，和ω分别为可见光通信的出射角和入射角，为汇聚节点的接收器的光滤波器增益，g(ω)为感知节点的透镜增益，P0为感知节点的发射功率；d为感知节点与汇聚节点的传输距离，A为汇聚节点的接收器的感光面积。
LoRa通信方式的信号强度表示为所述汇聚节点的接收功率,其接收功率PL为：
其中，λ为射频载波波长，n为路径损耗系数，在自由空间一般取2；d为感知节点与汇聚节点的传输距离，Pt为感知节点的发射功率。
定义参数η＝PG/PL，表示所述汇聚节点将接收到的感知节点的可见光通信信号强度与LoRa通信信号强度进行比较；若η≥1，则选择可见光通信方式作为主要传输方式，并通过可见光通信网络向相应的感知节点传输控制信息；若η＜1，则选择LoRa通信方式作为主要传输方式，并通过LoRa通信网络向相应的感知节点传输控制信息。
汇聚节点H通过LoRa通信或可见光通信接收来自感知节点U1、U2、U3、U4、G1、G2、G3、L1、L2中一个或多个节点传输过来的信息，并且通过比较可见光通信和LoRa通信的信号强度决定采用何种通信方式。
由于L1、L2与汇聚节点之间存在墙壁或障碍物(红线)阻隔，没有光的直达径，在信息传输时汇聚节点接收不到可见光通信的信号，因此只能选择LoRa通信；而G1、G2、G3所处的电磁环境比较复杂，LoRa通信的信号很弱，因此只能选择可见光通信。而U1、U2、U3、U4之间既没有障碍物，电磁环境也很好，H能接收到两种通信信号，则根据两种信号的强度的决定采用何种通信方式，并通过相应通信网络向感知节点传输控制信息。
4、感知节点根据控制信息切换信息传输网络，并进行状态信息传输。
感知节点U1、U2、U3、U4通过汇聚节点决定的通信方式进行信息传输，而G1、G2、G3只能通过可见光通信的方式传输信息，L1、L2只能通过LoRa通信的方式传输信息。
当遇到告警信息时，所述感知节点同时通过可见光通信和LoRa通信的方式传输告警信息，在警报解除后再恢复正常的通信方式。
如图3所示，本发明提供的可见光通信方式的步骤具体包括：
感知节点将监测到的状态信息进行编码调制，转换成光信号发送到可见光通信发射器进行发送；汇聚节点通过可见光通信接收器接收光信号，转换成电信号后进行解调解码。
U1、U2、U3、U4、G1、G2、G3为电力物联网中的感知节点，U1负责监测接头温度，U2负责监测机构箱温度，U3负责监测机构箱湿度，U4负责监测GIS局放，G1负责监测压力，G2负责监测密度，G3负责监测图像。他们均通过可见光通信的方式与汇聚节点H连接。
当感知节点U1、U2、U3、U4、G1、G2、G3中一个或多个节点检测到数据并需要向汇聚节点H发送消息时，如图4所示，感知节点直接通过可见光通信的方式向汇聚节点发送信息，汇聚节点H接收到信息后对这些信息进行分析。若汇聚节点H接收到感知节点的信息，则汇聚节点向相应的感知节发送ACK反馈消息；否则发送NACK消息。若感知节点接收到ACK，则该次数据传输结束；若感知节点接收到NACK，则需要将该次数据重新通过可见光通信的方式传输给汇聚节点，直到接收到ACK才终止此次数据传输。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于电力物联网的混合通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电力物联网内的汇聚节点与可见光通信范围内的感知节点组成可见光通信网络，汇聚节点与LoRa通信范围内的感知节点组成LoRa通信网络；
(2)感知节点通过LoRa通信网络和可见光通信网络向汇聚节点传输状态信息；
(3)汇聚节点根据信号强度决定感知节点的信息传输方法，并通过相应通信网络向感知节点传输控制信息，感知节点根据控制信息切换信息传输网络，并进行状态信息传输；
(4)感知节点根据上述信号强度配置的传输方式进行控制信息传输和状态信息传输；若遇到告警信息，则通过两种通信方式同时传输告警信息。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电力物联网的混合通信方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)电力物联网内的至少一个感知节点通过LoRa通信的方式向所述汇聚节点传输状态信息；
(22)电力物联网内的至少一个感知节点通过可见光通信的方式向所述汇聚节点传输状态信息。
3.根据权利要求1所述的一种应用于电力物联网的混合通信方法，其特征在于，步骤(3)所述的信号强度包括可见光通信方式的信号强度和LoRa通信方式的信号强度。
4.根据权利要求3所述的一种应用于电力物联网的混合通信方法，其特征在于，所述可见光通信方式的信号强度为汇聚节点的接收功率，通过可见光通信接收器直接测得，其接收功率PG为：
其中，m为LED的朗伯系数，和ω分别为可见光通信的出射角和入射角，为汇聚节点的接收器的光滤波器增益，g(ω)为感知节点的透镜增益，P0为感知节点的发射功率；d为感知节点与汇聚节点的传输距离，A为汇聚节点的接收器的感光面积。
5.根据权利要求3所述的一种应用于电力物联网的混合通信方法，其特征在于，所述LoRa通信方式的信号强度表示为所述汇聚节点的接收功率,其接收功率PL为：
其中，λ为射频载波波长，n为路径损耗系数，在自由空间一般取2；d为感知节点与汇聚节点的传输距离，Pt为感知节点的发射功率。
6.根据权利要求1所述的一种应用于电力物联网的混合通信方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)定义参数η＝PG/PL，表示所述汇聚节点将接收到的感知节点的可见光通信信号强度与LoRa通信信号强度进行比较，其中PG为以可见光通信方式的信号强度为汇聚节点的接收功率，PL为以LoRa通信方式的信号强度表示为所述汇聚节点的接收功率；
(32)若η≥1，则选择可见光通信方式作为主要传输方式，并通过可见光通信网络向相应的感知节点传输控制信息；
(32)若η＜1，则选择LoRa通信方式作为主要传输方式，并通过LoRa通信网络向相应的感知节点传输控制信息。
7.一种应用于电力物联网的混合通信的系统，其特征在于，包括可见光通信模块、LoRa通信模块、感知模块及汇聚模块；所述感知模块通过LoRa通信模块和可见光通信模块向汇聚模块传输状态信息；所述汇聚模块根据信号强度决定感知模块的信息传输方法，并通过相应通信模块向感知模块传输控制信息，感知模块根据控制信息切换信息传输网络，并进行状态信息传输；所述感知模块根据上述信号强度配置的传输方式进行信息传输；若遇到告警信息，则通过可见光通信模块和LoRa通信模块同时传输告警信息。
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