CN113241849B - 一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，包括普通节点和簇首节点；所述簇首节点以六边形阵列分布，每一簇首节点均位于六边形中心位置，普通节点分布在簇首节点的六边形覆盖区域。本发明采用六边形进行分簇，能保证采用最少的簇首节点即可实现对山地场景中太阳能光伏电站进行全覆盖，所选择的433MH在无线信号具有较好的绕障能力，能保证节点部署后网络保持连通状态；既能通过短距离无线通信方式进行数据传送，也能通过远距离无线通信方式进行数据传送；在没有NB‑IoT信号时可使用LoRa完成长距离通信，对山地场景中应用传感器网络具有较好的适应性。

Description

一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置
技术领域
本发明涉及一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置。
背景技术
很多光伏电站建设在阳光充足的山区，因此，光伏电站的运维给现有数据采集方式带来了挑战。当前，太阳能光伏电站监测系统的不足之处主要有：(1)采用有线方式设计监测系统，需要部署线路，在山地场景中存在部署难度大，移动性不佳的不足；(2)山地场景导致人工巡检效率较低。传感器网络作为一种基于无线通信方式的信息感知网络，具有部署方便，成本低的特点，能满足山地太阳能光伏电站的监测。在山地场景中使用传感器网络需要解决如下问题：(1)网络部署是传感器网络应用的关键问题，需要设计合适的部署方法；(2) 山地场景存在地形起伏、光伏板对无线信号的遮挡等影响，需要根据山地场景选择合适的无线信号；(3)设计适宜该监测场景部署传感器网络的装置；(4)现有基于传感器网络的监测系统设计时一般采用 Zigbee技术、LoRa技术、NB-IoT技术、GPRS技术，或者是两种技术的融合使用，例如Zigbee和LoRa、Zigbee和NB-IoT等，没有综合考虑更多无线通信技术的融合使用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，包括普通节点和簇首节点；所述簇首节点以六边形阵列分布，每一簇首节点均位于六边形中心位置，普通节点分布在簇首节点的六边形覆盖区域；普通节点和簇首节点之间通过短距离无线通信方式连接通信，簇首节点通过远距离无线通信方式接至广域网。
所述普通节点安装在太阳能光伏阵列上，且普通节点和太阳能光伏阵列一一对应。
所述六边形的半径小于普通节点通信半径的两倍。
所述簇首节点有两种，一种簇首节点内装NB-IoT模块并通过 NB-IoT模块实现远距离无线通信，另一种簇首节点内装LoRa模块并通过LoRa模块实现远距离无线通信。
所述普通节点中控芯片为MSP430系列单片机。
所述普通节点内装有电流传感器、电压传感器和温度传感器。
所述簇首节点内装有辐射传感器、电流传感器、电压传感器和温度传感器。
还包括汇聚节点，汇聚节点内装有LoRa模块和NB-IoT模块。
所述内装LoRa模块的簇首节点，通过汇聚节点连接广域网。
本发明的有益效果在于：采用六边形进行分簇，能保证采用最少的簇首节点即可实现对山地场景中太阳能光伏电站进行全覆盖，所选择的433MH在无线信号具有较好的绕障能力，能保证节点部署后网络保持连通状态；既能通过短距离无线通信方式进行数据传送，也能通过远距离无线通信方式进行数据传送；在没有NB-IoT信号时可使用 LoRa完成长距离通信，对山地场景中应用传感器网络具有较好的适应性。
附图说明
图1是本发明的网络部署示意图；
图2是图1中普通节点的模块连接原理图；
图3是图1中簇首节点1的模块连接原理图；
图4是图1中汇聚节点的模块连接原理图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
实施例1
如图1至图4所示的一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，包括普通节点和簇首节点；簇首节点以六边形阵列分布，每一簇首节点均位于六边形中心位置，普通节点分布在簇首节点的六边形覆盖区域；普通节点和簇首节点之间通过短距离无线通信方式连接通信，簇首节点通过远距离无线通信方式接至广域网。
实施例2
基于实施例1，并且，普通节点安装在太阳能光伏阵列上，且普通节点和太阳能光伏阵列一一对应。
实施例3
基于实施例1，并且，六边形的半径小于普通节点通信半径的两倍。
实施例4
基于实施例1，并且，簇首节点有两种，一种簇首节点内装NB-IoT 模块并通过NB-IoT模块实现远距离无线通信，另一种簇首节点内装 LoRa模块并通过LoRa模块实现远距离无线通信。
实施例5
基于实施例1，并且，普通节点中控芯片为MSP430系列单片机。
实施例6
基于实施例1，并且，普通节点内装有电流传感器、电压传感器和温度传感器。
实施例7
基于实施例1，并且，簇首节点内装有辐射传感器、电流传感器、电压传感器和温度传感器。
实施例8
基于实施例1，并且，还包括汇聚节点，汇聚节点内装有LoRa模块和NB-IoT模块。
实施例9
基于实施例4，并且，内装LoRa模块的簇首节点，通过汇聚节点连接广域网。
实施例10
基于上述实施例，具体的，采用确定性部署，将安装在山地中的太阳能光伏电站按区域进行划分，有两种区域类型，分别是区域1和区域2，区域1为有NB-IoT信号的区域，区域2为无NB-IoT信号的区域；
按照分簇方式对区域1和区域2进行划分，每个簇中有普通节点、簇首节点、汇聚节点；
将每个簇按照半径R进行监测范围划分，R为2跳无线通信的距离，令邻居节点间的通信距离为r，则R＝2r；
每个簇中普通节点与普通节点之间、普通节点与簇首节点之间采用433MHz射频信号进行通信；
将区域1按照六边形网格形式进行划分，每个簇即一个六边形网格，每个六边形的中心放置簇首节点；
将区域2按照六边形网格形式进行划分，每个簇即一个六边形网格，每个六边形的中心放置簇首节点；
可得每个簇的面积为：
其中，Sc为六边形面积；
每种区域中所需部署的最少簇首节点数为：
有
其中，nc为所需最少的簇首节点数，L为区域的长度，W为区域的宽度；
每个簇中的每个太阳能光伏阵列放置一个普通节点，用于检测光伏阵列的工作电流和工作电压，以及工作温度；
每个簇中的普通节点与簇首节点之间通过1或多跳方式进行数据交换。
短距离无线信号采用433MHz的信号；
普通节点由微处理器模块、433MHz无线模块、电源模块、传感器模块构成；
普通节点的微处理器模块选择MSP430f149；
普通节点的433MHz模块选择nRF905；
普通节点的电源模块由12V，12Ah直流电源构成；
普通节点的传感器模块包含温度传感器、电流传感器、电压传感器；
普通节点通过nRF905接入射频网络，传输数据至簇首节点；
簇首节点有两种，一种由微处理器模块、433MHz无线模块、NB-IoT 模块、传感器模块、电源模块构成；另一种由微处理器模块、433MHz 无线模块、LoRa模块、传感器模块、电源模块构成；
簇首节点的微处理器模块为STM32L073；
簇首节点的433MHz模块选择nRF905；
簇首节点的LoRa模块选择SX1278；
簇首节点的NB-IoT模块选择SIM7020C；
簇首节点的电源模块由12V，12Ah直流电源构成；
簇首节点的传感器模块包含温度传感器、电流传感器、电压传感器、光辐射传感器，其中，温度传感器用于检测光伏阵列的工作温度、电流传感器用于检测光伏阵列的工作电流、电压传感器用于检查光伏阵列的工作电压、光辐射强度传感器用于检测每个簇接收到的太阳光辐射强度；
一种簇首节点通过nRF905接收普通节点的数据，通过NB-IoT模块将数据上传至远程服务中心；
另一种簇首节点通过nRF905接收普通节点的数据，在无NB-IoT信号的地方通过LoRa模块上传数据至汇聚节点，通过汇聚节点将数据传送至远程服务中心；
汇聚节点由微处理器模块、LoRa模块、NB-IoT模块、电源模块构成；
汇聚节点的微处理器模块选择STM32L073；
汇聚节点的LoRa模块选择SX1278，通过该模块接收来自簇首节点的数据或传送数据给簇首节点；
汇聚节点的NB-IoT模块选择SIM7020C，通过NB-IoT模块可接收来自远程服务中心的数据或传送数据至远程服务中心；
汇聚节点的电源模块由12V，48Ah直流电源构成；
远程服务中心可保存、分析和显示太阳能光伏电站中所有装置采集的数据和装置的工作状态。

Claims (6)

1.一种用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，包括普通节点和簇首节点，其特征在于：所述簇首节点以六边形阵列分布，每一簇首节点均位于六边形中心位置，普通节点分布在簇首节点的六边形覆盖区域；普通节点和簇首节点之间通过短距离无线通信方式连接通信，簇首节点通过远距离无线通信方式接至广域网；
所述簇首节点有两种，一种簇首节点内装NB-IoT模块并通过NB-IoT模块实现远距离无线通信，另一种簇首节点内装LoRa模块并通过LoRa模块实现远距离无线通信；所述内装LoRa模块的簇首节点，通过汇聚节点连接广域网；还包括汇聚节点，汇聚节点内装有LoRa模块和NB-IoT模块；
将安装在山地中的太阳能光伏电站按区域进行划分，有两种区域类型，分别是区域1和区域2，区域1为有NB-IoT信号的区域，区域2为无NB-IoT信号的区域；
按照分簇方式对区域1和区域2进行划分，每个簇中有普通节点、簇首节点、汇聚节点；将区域1按照六边形网格形式进行划分，每个簇即一个六边形网格，每个六边形的中心放置簇首节点；将区域2按照六边形网格形式进行划分，每个簇即一个六边形网格，每个六边形的中心放置簇首节点；
每个簇的面积为：
Figure FDA0004116869210000011
其中，Sc为六边形面积，r为邻居节点间的通信距离；
每种区域中所需部署的最少簇首节点数为：
有
Figure FDA0004116869210000021
其中，nc为所需最少的簇首节点数，L为区域的长度，W为区域的宽度；
每个簇中的每个太阳能光伏阵列放置一个普通节点，用于检测光伏阵列的工作电流和工作电压，以及工作温度；每个簇中的普通节点与簇首节点之间通过1或多跳方式进行数据交换。
2.如权利要求1所述的用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，其特征在于：所述普通节点安装在太阳能光伏阵列上，且普通节点和太阳能光伏阵列一一对应。
3.如权利要求1所述的用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，其特征在于：所述六边形的半径小于普通节点通信半径的两倍。
4.如权利要求1所述的用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，其特征在于：所述普通节点中控芯片为MSP430系列单片机。
5.如权利要求1所述的用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，其特征在于：所述普通节点内装有电流传感器、电压传感器和温度传感器。
6.如权利要求1所述的用于山地光伏电站监测的传感器网络部署装置，其特征在于：所述簇首节点内装有辐射传感器、电流传感器、电压传感器和温度传感器。
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