CN111132094B - 一种适用于输电线路感知系统的通讯网络及通讯方法 - Google Patents

一种适用于输电线路感知系统的通讯网络及通讯方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于输电线路感知系统的通讯网络及通讯方法,基于基站节点和感知装置构建广域物联通信网络架构,包括:建立感知装置到基站节点之间的通讯;建立基站节点间的多跳通讯。采用本发明的解决方法,达到传输距离远、功耗低、组网方式灵活、可靠性高的目的,提升输电线路物联网状态感知能力。

Description

一种适用于输电线路感知系统的通讯网络及通讯方法
技术领域
本发明涉及物联网技术、传感器技术和智能电网领域,具体涉及一种适用于架空线路物联网设备状态感知系统的通讯网络及其通讯解决方法。
背景技术
随着高压输电线路规模不断扩大,外部环境更加复杂,变革以停电检修、离线试验为主的传统状态信息获取模式,提高输电线路物联网状态感知能力,实现输电线路状态数据可靠监测与深度分析,是电网“智能化”、“精益化”发展的必然需求。
限于技术、机制等原因,传统输电在监测装置结构庞杂、体积笨重、耗电巨大,组网方式不灵活,传输网络可靠性差,维护工作量大等问题,难以满足应用需求。
发明内容
本发明针对以上问题,提供一种传输距离远、功耗低、组网方式灵活、可靠性高的一种适用于架空线路物联网设备状态感知系统的通讯网络及其通讯方法。
本发明所采用的技术方案是:一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,用于实现感知系统与基站节点之间的通讯,所述感知系统由多个感知物联网设备状态的传感器组成,通讯网络包括内嵌在感知系统内的LoRa通信终端模组,所述LoRa通信终端模组与传感器连接,用于将传感器获取到的物联网设备状态信息以点对点方式传输至基站节点。
进一步的,所述传感器与LoRa通信终端模组采用串口通讯。
进一步的,所述LoRa通信终端模组基于LORA射频芯片构建得到,该LoRa通信终端模组基于LORA射频芯片的调制方式将传感器获取到的物联网设备状态信息以点对点方式传输至基站节点。
进一步的,还包括由若干基站节点建立的无线多跳网络,所述无线多跳网络为由多条线性链式构成的线性链式网络,在一条线性链式中,根据基站节点的编号奇偶数分为两组;在一个发送时隙内,一条线性链式中的一组基站节点通过中继基站节点进行数据发送,另一组进行数据接收,所述中继基站节点位于对应的基站节点的最大跳数处或最大跳数内。
进一步的,所述无线多跳网路中的信道数|f|与最大跳数的关系定义为:
Figure GDA0002416272930000011
式中,n为节点个数,m为最大跳数。
进一步的,还包括加装在基站节点内的APN终端模块,所述基站节点通过所述APN终端模块接入电力专网。
进一步的,还包括电力光纤网,所述基站节点通过所述电力光纤网接入电力内网。
本发明公开了一种适用于输电线路感知系统的通讯方法,包括以下步骤:
步骤1:通过感知系统内的多个传感器获取物联网设备状态信息;
步骤2:采用LoRa通信终端模组,将传感器获取到的物联网设备状态信息传递给基站节点。
进一步的,所述步骤2具体包括:
LoRa通信终端模组检测基站节点的工作状态,选择信号强的基站节点注册接入;
LoRa通信终端模组向基站节点发送已添加LoRa通信终端模组通信地址的上行报文,等待基站节点的应答报文;
LoRa通信终端模组接收到由基站节点下发的下行报文或等待超时,结束通信。
进一步的,还包括以下步骤:
步骤3:接收到物联网设备状态信息的基站节点通过无线多跳网络将物联网设备状态信息的传递给下一跳基站节点,依次类推,直至指定基站节点接收到物联网设备状态信息;
步骤4:指定基站节点通过APN终端模块将接收到的物联网设备状态信息传输至电力专网。
有益效果:本发明具有以下优点:
1、本发明在LoRa基站间采用多跳自组织网通信,可结合应急机制,有效提高自组网络的可靠性,解决电力专网到输电杆塔之间的最后一公里问题。
2、本发明提供了一整套输电物联网通信解决方案,可实现双向通讯,传感器与基站通讯路由自适应,相比传统在线监测通讯网络,实现了灵活组网,提高传输网络可靠性、降低通讯成本。
附图说明
图1为架空线路低功耗广域物联通信网络架构;
图2为传感装置与通讯模块的连接关系;
图3传感装置侧通信及控制过程;
图4传感器与通信终端模组之间通信的数据格式;
图5LoRa基站自组网中数据传输过程;
图6基站间紧急数据传输模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
实施例1:
参见图1,本实施例的输电线路低功耗广域物联通信网络架构,包含三层网络:
LoRa接入网,实现传感器装置到基站节点之间的通讯,具体通过在传感器装置内嵌LoRa通信终端模组,传感器装置内的传感器通过串口通讯连接该LoRa通信终端模组,最后,LoRa通信终端模组通过点对点的方式接入到基站节点;
无线多跳组网,基站节点间通过无线多跳实现远距离信息传输,具备自组网、自适应路由等能力,优化数据的调度和传输质量;
现有网络设施,利用成熟APN技术,在基站节点加装APN终端模块,实现基站节点接入电力专网能力;或者利用电力已铺设电力光纤网,通过有线接入方式并经加密和防火墙,实现电力内网的接入。
所述通信终端模组与传感器装置之间的通信实现方式具体如下:
本实施例的LoRa通信终端模组基于SEMTECH的LORA射频芯片SX1278构建,该LoRa通信终端模组与传感器装置之间的连接关系参见图2,该LoRa通信终端模组的状态标识详见表1。
表1LoRa通信终端模组状态标识定义
Figure GDA0002416272930000031
传感器装置侧与LoRa通信终端模组的通信及控制过程见图3,具体过程如下:
(a)传感器装置准备好周期性上报的传感信息;
(b)打开LoRa通信终端模组的电源使能信号(PWR_CTRL高电平有效),打开10s超时保护控制(超过10s,则PWR_CTRL置低);
(c)等待2ms(上电稳定);
(d)AUX信号:下降沿触发,串口发送上报信息给LoRa通信终端模组;
(e)M0信号:下降沿触发,2ms内开始接收串口信息,处理主机下发指令;(不是每次上报都伴有下发指令)
(f)M1信号:下降沿触发,关闭给LoRa通信终端模组的供电(PWR_CTRL置低)。
传感器装置与LoRa通信终端模组之间通信的数据格式见图4,具体含义包括:
a)上行数据格式:
通过串口一次发送给LoRa通信终端模组,具体数据格式包括:
0x8A:上行头,标识数据类型为上行数据;
ID_IND_L/ID_IND_H:加密芯片ID索引,低位和高位,共2字节;
PACK_N:总计16Bytes包的个数;
16Bytes PACK:传感器数据标准16字节格式内容。
b)下行数据格式
0x08:下行头,标识数据类型为下行数据;
16Bytes:传感器数据标准16字节格式下行配置。
本实施例中LoRa通信终端模组与基站之间的通讯实现,基于LORA的调制方式,工作在频点433MHz,通信带宽500kHz,通信速率可达20kbps,具体包括通信过程和接入控制两部分:
其中,通信过程如下:
a)当传感器装置有上报业务的时候,LoRa通信终端模组由传感器装置唤醒;
b)传感器装置发送上行报文给LoRa通信终端模组;
c)LoRa通信终端模组检测通信基站工作状态;
d)LoRa通信终端模组发送上行报文(加入终端模组通信地址)给基站,并等待极短时间通信基站的应答报文;
e)基站节点侧如有下发指令,则紧跟上行报文,下行发送指令报文。
f)LoRa通信终端模组接收到下行报文或者等待超时即结束通信过程。
接入控制过程如下:
a)每个LoRa通信终端模组在出厂时会预设通信地址(4字节),每个传感器装置也有其ID;
b)基站节点可以根据上报报文中的传感器ID,这部分是进行加密后上传的,基站解密后,进行通信地址映射,对照比较ID,判断是否已授权,实现用户认证,当为非认证用户,则作为干扰处理;
c)基站节点可以根据接收LoRa通信终端模组的信号状态,通过控制信令调整LoRa通信终端模组的发射功率;
d)LoRa通信终端模组根据基站节点的信号强度,选择信号强度优的基站节点进行配置接入。
本实施例基于多跳组网、路由判决机制实现基站节点之间的多跳通信。
本实施例的多跳组网具体为:将输电线路抽象成为线性链式网络,拟将基站节点分成两组,编号为奇数的基站节点作为一组,编号为偶数的基站节点则是另一组,在一个发送时隙内,一组的基站节点发送它们的数据,而另一组的接收数据,如图5所示。例如,在奇数时隙中,奇数的基站节点利用分配的信道,发送它们的数据到下一跳节点。随后,在偶数时隙时,奇数节点则接受偶数节点发送来的数据。
基站节点向控制中心注册时会附带QoS因子(0-15),不同基站节点发出的信息优先级不同。出现紧急信息需要迅速传输至控制中心时,发送该数据的基站节点则不再选择下一跳基站节点作为中继。如图6所示,基站节点A需要传输一个延时要求高的数据至中心,它可以选择距离中心近的基站节点作为中继。由于远距离的传输,基站节点的发射功率将增加,考虑到发射功率和传输延时之间的平衡,基站节点将选择合适的中继进行数据传递。如图6中,基站节点A有三个节点可以选作中继节点(由虚线指示),最终根据平衡算法从三个中选中最优的结果。
当出现紧急信息传输情况下基站节点的发送功率增加容易引起对其他节点数据传输的干扰。若m为节点的最大跳数,在区间[i-m,i+m]内的节点会被节点#i的传输干扰,因而它们不能分配同一个信道行进数据传输。对于节点#i,定义其干扰范围为:[max(1,i-m),min(i+m,n)],其中i∈[1,n]。
网络中需要的信道数|f|与最大跳数m之间的关系可以定义为:
Figure GDA0002416272930000051
本实施例的路由判决机制包括APN工作判决、上行数据汇聚路由和下行数据转发路由。
本实施例的APN工作判决包括:
模式1,固定自主开启:APN终端模块可以接入无线公网4G,信号强度满足几百kbps的通信需求;
模式2,邻近选取:在连续N个多跳基站节点中,选择信号强度最佳,并且处于区段中间位置的基站节点,作为APN终端模块出口;
模式3,动态调整:当某个基站节点的APN终端模块处于异常状态时,则通知邻近节点调整APN终端模块出口;另一方面,当发现原APN终端模块出口节点或者邻居跳节点异常后,进行跨级多跳,或者进行APN终端模块出口节点重新选取。
本实施例的上行数据汇聚路由,包括:
本地上行数据判决,基站节点是否具备APN终端模块出口或者有线出口能力,若有则直接发出,否者转多跳;
其它基站节点的上行数据判决,本地基站节点是否具备APN终端模块出口或者有线出口能力,若有则直接发出,否者转下一个多跳。
本实施例的下行数据转发路由,包括:
从APN终端模块或者多跳方式接收的下行数据是否为本基站节点数据,若是本基站节点数据,再把数据存储在该基站节点的本地缓存中;否则转发下一个多跳基站节点。
实施例2:
本实施例的一种适用于架空输电线路物联网设备状态感知系统的通讯方法基于实施例1的输电线路低功耗广域物联通信网络架构上实现,包括:建立通信终端模组与传感器装置之间的通信;建立通信终端模组与基站节点之间的通讯;建立基站节点间的多跳通信,具体包括以下步骤:
步骤1:通过感知系统内的多个传感器获取物联网设备状态信息;
步骤2:在感知系统内增设LoRa通信终端模组,通过LoRa通信终端模组,将传感器获取到的物联网设备状态信息传递给基站节点;
步骤3:建立基站节点之间的无线多跳网络,在所述无线多跳网络中,基站节点基于传输机制选择中继基站节点作为下一跳进行物联网设备状态信息传递;
步骤4:在基站节点内加装APN终端模块,通过APN终端模块,将基站节点接入电力专网。
本实施例的步骤2具体包括:
LoRa通信终端模组检测基站节点的工作状态,选择信号强的基站节点注册接入;
LoRa通信终端模组向基站节点发送已添加LoRa通信终端模组通信地址的上行报文,等待基站节点的应答报文;
LoRa通信终端模组接收到由基站节点下发的下行报文或等待超时,结束通信。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,其特征在于:输电线路感知系统由多个用于感知物联网设备状态的传感器组成;
通讯网络包括内嵌在输电线路感知系统内的LoRa通信终端模组以及由若干基站节点建立的无线多跳网络,所述LoRa通信终端模组与传感器连接,用于将传感器获取到的物联网设备状态信息以点对点方式传输至基站节点;
所述无线多跳网络为由多条线性链式构成的线性链式网络,在一条线性链式中,根据基站节点的编号奇偶数分为两组;在一个发送时隙内,一条线性链式中的一组基站节点通过中继基站节点进行数据发送,另一组进行数据接收,所述中继基站节点位于对应的基站节点的最大跳数处或最大跳数内。
2.根据权利要求1所述的一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,其特征在于:所述传感器与LoRa通信终端模组采用串口通讯。
3.根据权利要求1所述的一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,其特征在于:所述LoRa通信终端模组基于LORA射频芯片构建得到,该LoRa通信终端模组基于LORA射频芯片的调制方式将传感器获取到的物联网设备状态信息以点对点方式传输至基站节点。
4.根据权利要求1所述的一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,其特征在于:所述无线多跳网路中的信道数|f|与最大跳数的关系定义为:
Figure FDA0003009229620000011
式中,n为节点个数,m为最大跳数。
5.根据权利要求1所述的一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,其特征在于:还包括加装在基站节点内的APN终端模块,所述基站节点通过所述APN终端模块接入电力专网。
6.根据权利要求1所述的一种适用于输电线路感知系统的通讯网络,其特征在于:还包括电力光纤网,所述基站节点通过所述电力光纤网接入电力内网。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的一种适用于输电线路感知系统的通讯网络的通讯方法,其特征在于:包括以下步骤:
通过多个传感器获取物联网设备状态信息;
通过LoRa通信终端模组,将传感器获取到的物联网设备状态信息传递给基站节点;
接收到物联网设备状态信息的基站节点通过无线多跳网络将物联网设备状态信息的传递给下一跳基站节点,依次类推,直至指定基站节点接收到物联网设备状态信息;
其中,所述无线多跳网络为由多条线性链式构成的线性链式网络,在一条线性链式中,根据基站节点的编号奇偶数分为两组;在一个发送时隙内,一条线性链式中的一组基站节点通过中继基站节点进行数据发送,另一组进行数据接收,所述中继基站节点位于对应的基站节点的最大跳数处或最大跳数内。
8.根据权利要求7所述的通讯方法,其特征在于:所述的通过LoRa通信终端模组,将传感器获取到的物联网设备状态信息传递给基站节点,具体包括:
LoRa通信终端模组检测基站节点的工作状态,选择信号强的基站节点注册接入;
LoRa通信终端模组向基站节点发送已添加LoRa通信终端模组通信地址的上行报文,等待基站节点的应答报文;
LoRa通信终端模组接收到由基站节点下发的下行报文或等待超时,结束通信。
9.根据权利要求7所述的通讯方法,其特征在于:还包括以下步骤:
指定的基站节点通过APN终端模块将接收到的物联网设备状态信息传输至电力专网。
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