CN114125587A - 超低功耗地下室配电房无线传感监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超低功耗地下室配电房无线传感监测系统和方法，该系统包括RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站，其中，所述RFID传感器监测单元包括多个传感器组件，每一所述传感器组件包括多种类型的传感器；所述RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站依次通讯连接；所述传感器组件内的各个传感器均内置有RFID电子标签；所述传感器组件与智能网关之间通过所述LoRa中继器形成LoRaMESH网络；所述RFID数据读写器内嵌有用于对功耗进行精细化管理的功耗管理机制；本发明以多类无线无源的传感器对地下室配电房进行全面监测，避免了复杂的铺线和施工，成本较低，容易施行。
Description
技术领域
本发明涉及智能配电网技术领域，尤其涉及超低功耗地下室配电房无线传感监测系统和方法。
背景技术
随着城市化建设的进程不断推进，越来越多的大楼矗立在我们周边，如今，几乎所有的各类办公、商业、住宅大楼都普遍采用地下楼层作为配电房设计，然而地下楼层深入地下数十米且有厚厚的水泥墙壁阻挡，电信运营商网络信号无法覆盖或仅有微弱的信号，各种智能监测设备无法直接应用3G/4G通信网络进行数据传输；通过光纤等有线网络传输的方式，建设成本高、运维难度大、拓展灵活性较差。常用的无线传感技术信号有效传输距离较短，况且配电房内部电磁环境复杂，设备运行环境较地面有很大区别，地面传统无线通信方式在地下室配电房内受到很大限制，难以实现稳定可靠的数据通信。常见的利用蓝牙、WIFI、等无线通信方式进行在线监测的装置，存在功耗过大的问题，需要铺设专用供电线路，基本丧失了无线通信的优势。
为解决地下室配电房当前移动网络信号覆盖弱、有线传感布线困难以及无线传感功耗及传输稳定性的问题，本发明提出了一种超低功耗地下室配电房无线传感监测系统及其方法，基于RFID和LoRaMESH的技术利用多类传感器对地下室配电房环境实现全面监测的同时，对各类无线传感器的工作进行功耗管理，进而实现超低功耗下的环境全面监测。
发明内容
本发明的目的是提供超低功耗地下室配电房无线传感监测系统和方法，其基于RFID和LoRaMESH的技术，以多类无线无源的传感器对地下室配电房进行全面监测，避免了复杂的铺线和施工，成本较低，容易施行。
为了实现上有目的，本发明公开了一种超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其包括RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站，其中，所述RFID传感器监测单元包括多个传感器组件，每一所述传感器组件包括多种类型的传感器；
所述RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站依次通讯连接；
所述传感器组件内的各个传感器均内置有RFID电子标签；
所述传感器组件与智能网关之间通过所述LoRa中继器形成LoRaMESH网络；
所述RFID数据读写器内嵌有用于对功耗进行精细化管理的功耗管理机制。
较佳地，所述传感器组件包括无线门禁传感器、无线烟雾传感器、无线局放监测传感器、无线振动传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器、无线电缆头测温传感器和无线水浸传感器；
各传感器的监测数据可被选择性地写入对应的RFID电子标签内，所述无线门禁传感器内还设有UWB定位模块；
所述无线门禁传感器安装在地下室配电房的门框处，所述无线门禁传感器用于监测配电房大门的开合状态；
所述无线电缆头测温传感器安装在电缆沟中两段电缆的连结处，所述无线电缆头测温传感器用于测量电缆连接处的温度；
所述无线振动传感器安装在电缆本体上，所述无线振动传感器用于测量电缆的振动幅度和频率；
所述无线水浸传感器安装在地下室配电房的电缆沟底部，所述无线水浸传感器用于测量电缆沟底部的浸水状态；
所述无线烟雾传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器和无线局放监测传感器分别安装于地下室配电房的顶部，所述无线烟雾传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器和无线局放监测传感器分别对地下室配电房内的烟雾、温湿度、地下室配电房内画面、活体、有害气体以及配电设备的绝缘放电状态进行监测。
较佳地，所述RFID数据读写器可定时或呈即时召测地读取各个传感器组件内的RFID电子标签内的存储数据，所述RFID数据读写器与传感器组件内的各个无线传感器形成与RFID数据读写器为中央节点的星形网络。
较佳地，所述RFID数据读写器内嵌的功耗管理机制包括：
1)设置RFID传感器监测单元上传数据类型：传感器组内各传感器自身采集的数据量较大，运维人员关心的数据并往往不需要具体的测量数据值，而更关心是否出现异常告警；
当传感器监测值处于正常值内，标记传感器监测状态为0，写入RFID电子标签的数据仅为状态数据，而不写入实测数据值，实测数据值存入自身存储器内；
当传感器监测值超过正常值时，标记传感器监测状态为1，写入RFID电子标签的数据实测数据值；
2)设置RFID传感器监测单元上传数据间隔：设置根据传感器组内各传感器监测数据的重要程度划分响应等级，根据响应等级设置不同间隔的问询时间，问询时间之外设定各传感器和RFID数据读写器处于低功耗休眠模式；到指定间隔时间后RFID数据读写器启动唤醒各传感器上传RFID电子标签数据；
3)后台主站主动召测数据时，RFID数据读写器下发数据获取指令给RFID传感器监测单元，传感器组内写入实测数据至RFID电子标签并传送至RFID数据读写器。
较佳地，所述LoRaMesh网络以多跳无线方式进行通信，所述LoRaMesh网络具有自我调节和自我组织能力，并呈动态地学习网络的拓扑结构，以灵活组织自身的网络结构；在自组网网络中有多个网络接口和多个通道并行传输数据信息，网络接口与信道相关联，各信道的传输互不影响，实现并行操作。
较佳地，所述RFID数据读写器还可对读取获得的数据进行分析处理，及对异常的告警信息进行研判，并发出与外部设备联动的控制信号。
相应地，本发明还公开了一种超低功耗地下室配电房无线传感监测方法，应用于如上所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，所述超低功耗地下室配电房无线传感监测方法包括如下步骤：
1)各个传感器通过内置RFID电子标签与RFID数据读写器形成星形通讯结构；
2)各个传感器组件与智能网关之间通过LoRa中继器进行数据传输，不同传感器组件之间的LoRa中继器形成LoRaMesh通讯结构；
3)传感器组件内的各个传感器根据检测是否异常写入不同数据长度的RFID电子标签数据，无异常时仅写入和上传仅表述状态0的数据，有异常写入和上传仅表述实际测量的具体数据；
4)RFID数据读写器根据预设的时间间隔问询各传感器组件，并读取各传感器组件内的各个传感器内置的RFID电子标签数据；
5)LoRa中继器之间自动组网形成LoRaMESH网络，RFID数据读写器将读取的标签数据通过LoRa中继器经LoRaMESH网络上传至智能网关；
6)智能网关通过协议转换和远距离通信的方式将读取的标签数据上传至后台主站，对以供后台主站对监测数据进行进一步的分析处理。
较佳地，所述LoRaMESH网络的结构中预先设定每个LoRaMESH网络中均具有两个簇头，两所述簇头中的一者为主簇头，另一者为辅簇头，所述LoRaMESH网络通过所述主簇头和辅簇头与智能网关进行通讯连接，所述LoRaMESH网络将各个传感器监测到的数据传送至智能网关；当主簇头失效时，辅助簇头承担对外通信任务。
较佳地，所述主辅簇头的变更周期可自由设置，所述主辅簇头能够根据自身设备的剩余能量进行定期的变更，
较佳地，将每个簇中剩余能量最多的LoRa节点作为该群的主簇头。
与现有技术相比，本发明以多类无线无源的传感器对地下室配电房进行全面监测，避免了复杂的铺线和施工，成本较低，容易施行；同时为了解决信号传输过程中的功耗和稳定性问题，采用RFID技术并根据传感器监测数据的重要程度设定数据问询的间隔时间，使传感器在满足监测要求的同时更多的处于低功耗休眠模式，同时根据传感器监测到有无异常的情形规定写入RFID电子标签的数据类型和长度，减少因大量数据传输的功耗，进而使传感器以超低功耗方式运行；此外，利用LoRaMESH技术在各LoRa中继器之间建立可靠的多跳通信网络，使传感器监测数据可靠上传至网关和后台主站，实现超低功耗、高可靠性的全面地下室配电房监测。
附图说明
图1是本发明的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统的系统结构图；
图2为本发明的传感器组件的组成结构图；
图3为本发明的通信网络结构示意图；
图4为本发明的超低功耗地下室配电房无线传感监测方法的流程框图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
参考图1所示，本实施例的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统包括RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站，其中，
所述RFID传感器监测单元包括多个传感器组件，每一所述传感器组件包括多种类型的传感器；
所述RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站依次通讯连接；
所述传感器组件内的各个传感器均内置有RFID电子标签；
所述传感器组件与智能网关之间通过所述LoRa中继器形成LoRaMESH网络；
所述RFID数据读写器内嵌有用于对功耗进行精细化管理的功耗管理机制。
参见图2所示，所述传感器组包括无线门禁传感器、无线烟雾传感器、无线局放监测传感器、无线振动传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器、无线电缆头测温传感器、无线水浸传感器；
所述传感器组件内包含的无线传感器均内置有RFID电子标签，各传感器的监测数据可被选择性的写入RFID电子标签进行记录，无线门禁传感器除含有RFID电子标签外还设有UWB定位模块，该UWB定位模块用于定位地下室配电房的位置，以方便监测到告警信号后的故障排查；
无线门禁传感器安装于地下室配电房的门框处，该无线门禁传感器用于监测配电房门的开合状态。
无线电缆头测温传感器安装于地下室配电房电缆沟中两段电缆的连结处，该无线电缆头测温传感器用于测量电缆连接处的温度。
无线振动传感器安装在电缆本体上，该无线振动传感器用于测量电缆的振动幅度和频率。
无线水浸传感器安装于地下室配电房电缆沟底部，该无线水浸传感器用于测量配电房电缆沟底部的浸水状态。
无线烟雾传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器和无线局放监测传感器则分别安装于地下室配电房屋顶的适宜位置，无线烟雾传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器和无线局放监测传感器分别用于对地下室配电房里的烟雾、温湿度、配电房内画面、活体、有害气体(如监测甲烷、硫化氢、氯化氢、氧气和一氧化碳等气体)以及配电房里设备的绝缘放电进行监测。
如当监测到配电房门状态为开时，可结合无线摄像头拍摄的画面确实是否有人员进入以及确认是否为专业的检修人员进入，在一定程度上可实现配电房设备和电缆的防盗；另外，地下室配电房和电缆沟内常常发生老鼠咬坏设备和电缆绝缘皮层的现象，存在一定的安全隐患，此时可以通过无线红外传感器对是否有活物入侵进行监测，同时还可与声光报警等装置的联动，实现驱鼠效果；同样无线烟雾传感器可对配电房内是否起火进行监测，并与消防装置联动实现灭火，其它无线监测装置也在各自的监测效果基础上存在类似的工作效果，进而实现地下室配电房的全面监测。
所述传感器组件内的无线门禁传感器、无线烟雾传感器、无线局放监测传感器、无线振动传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器、无线电缆头测温传感器、无线水浸传感器都采用高温锂电池供电，无线无源的工作方式避免了外接电源的复杂和在线取电施工危险，取电条件严苛的问题。
参见图3所示，所述RFID数据读写器可定时或呈即时召测地读取传感器组件内各个无线传感器RFID电子标签记录的数据，RFID数据读写器与传感器组件内的各个无线传感器形成与RFID数据读写器为中央节点的星形网络。
数据传输量的大小和数据传输的次数和持续时间将影响传感器的功耗，对于传感器组件内的传感器在实际中并不需要时刻传输其监测的数值，因为其监测的数值往往绝大部分时间处于正常值，比如无线水浸传感器、无线气体传感器等，且往往此种情况下传感器出现报警并不一定要及时处理，因此可以选择在每天中固定时间内去读取传感器内的监测数据或者有无告警状态，使得传感器更多的处于休眠状态，以减少传感器工作的功耗，基于此考虑所述RFID数据读写器内嵌的功耗管理机制包括：
1)设置RFID传感器监测单元上传数据类型：传感器组内各传感器自身采集的数据量较大，运维人员关心的数据并往往不需要具体的测量数据值，而更关心是否出现异常告警；
当传感器监测值处于正常值内，标记传感器监测状态为0，写入RFID电子标签的数据仅为状态数据，而不写入实测数据值，实测数据值存入自身存储器内；
当传感器监测值超过正常值时，标记传感器监测状态为1，写入RFID电子标签的数据实测数据值；
2)设置RFID传感器监测单元上传数据间隔：设置根据传感器组件内各传感器监测数据的重要程度划分响应等级，根据响应等级设置不同间隔的问询时间，问询时间之外设定各传感器和RFID数据读写器处于低功耗休眠模式；到指定间隔时间后RFID数据读写器启动唤醒各传感器上传RFID电子标签数据；
3)后台主站主动召测数据时，RFID数据读写器下发数据获取指令给RFID传感器监测单元，传感器组件内写入实测数据至RFID电子标签并传送至RFID数据读写器。
所述RFID数据读写器不仅可以处理无线传感器监测单元监测到的实时数据还可对数据进行分析处理，对异常的告警信息进行研判，并可产生相应的控制命令与其他装置如消防、排水、排气、温湿度调节装置、声光报警等装置进行联动。
参见图4所示，本实施例还公开了一种超低功耗地下室配电房无线传感监测方法，其包括如下步骤：
S1、各类传感器通过内置RFID电子标签与RFID数据读写器形成星形通讯结构；
S2、各传感器组与智能网关之间通过LoRa中继器进行数据传输，不同传感器组间的LoRa中继器形成LoRaMesh通讯结构；
S3、传感器组内的各传感器根据检测是否异常写入不同数据长度的RFID电子标签数据，无异常时仅写入和上传仅表述状态0的数据，有异常写入和上传仅表述实际测量的具体数据；
S4、RFID数据读写器根据设定好的时间间隔问询各传感器组件，读取各传感器内置的RFID电子标签数据；
S5、LoRa中继器之间自动组网形成LoRaMESH网络，RFID数据读写器将读取的标签数据通过LoRa中继器经LoRaMESH网络上传至智能网关；
S6、智能网关通过协议转换和远距离通信方式上传至后台主站，对监测数据实现进一步的分析处理。
较佳地，所述LoRaMESH网络结构中预先设定每LoRaMESH网络中有两个簇头，两所述簇头中的一者为主簇头，另一者为辅簇头，所述LoRaMESH网络通过所述主簇头和辅簇头与智能网关进行通讯连接，所述LoRaMESH网络将各个传感器监测到的数据传送至智能网关；
较佳地，当主簇头失效时，辅簇头承担对外通信任务；主辅簇头会根据自身设备的剩余能量定期变更，变更周期可设，变更原则为：将每个簇中剩余能量最多的LoRa节点作为该群的主簇头
较佳地，所述LoRaMESH网络以多跳无线方式进行通信，具有自我调节和自我组织能力，动态地学习网络的拓扑结构，灵活组织自己的网络结构；在自组网网络中有多个网络接口和多个通道并行传输数据信息，网络接口与信道相关联。各信道的传输互不影响，实现并行操作。在LoRaMESH组网网阶段，每个通信模块中的网络协调器发射不同频段的广播信号，之后进入低功耗接收状态，通过比较接收到的信号强度，选择性加入信号较强的网络组中，进入低功耗等待状态；进入调整阶段后，依次以不同的射频发射功率进行通信，选择确定能够通信的最小功率，保持节点间始终以满足通信的最小功率进行；在工作阶段进行数据采集和休眠则采用轮询的方式，同时网络协调器会在不采集数据的时间发送广播，收集新加入的节点和通信断开节点信息，以保证通信网络的鲁棒性和链路自愈性，进而实现超低功耗下的地下配电房配电房环境全面监测。
结合图1-图4，本发明以多类无线无源的传感器对地下室配电房进行全面监测，避免了复杂的铺线和施工，成本较低，容易施行；同时为了解决信号传输过程中的功耗和稳定性问题，采用RFID技术并根据传感器监测数据的重要程度设定数据问询的间隔时间，使传感器在满足监测要求的同时更多的处于低功耗休眠模式，同时根据传感器监测到有无异常的情形规定写入RFID电子标签的数据类型和长度，减少因大量数据传输的功耗，进而使传感器以超低功耗方式运行；此外，利用LoRaMESH技术在各LoRa中继器之间建立可靠的多跳通信网络，使传感器监测数据可靠上传至网关和后台主站，实现超低功耗、高可靠性的全面地下室配电房监测。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于：包括RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站，其中，
所述RFID传感器监测单元包括多个传感器组件，每一所述传感器组件包括多种类型的传感器；
所述RFID传感器监测单元、RFID数据读写器、LoRa中继器、智能网关和后台主站依次通讯连接；
所述传感器组件内的各个传感器均内置有RFID电子标签；
所述传感器组件与智能网关之间通过所述LoRa中继器形成LoRaMESH网络；
所述RFID数据读写器内嵌有用于对功耗进行精细化管理的功耗管理机制。
2.如权利要求1所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于：所述传感器组件包括无线门禁传感器、无线烟雾传感器、无线局放监测传感器、无线振动传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器、无线电缆头测温传感器和无线水浸传感器；
各传感器的监测数据可被选择性地写入对应的RFID电子标签内，所述无线门禁传感器内还设有UWB定位模块；
所述无线门禁传感器安装在地下室配电房的门框处，所述无线门禁传感器用于监测配电房大门的开合状态；
所述无线电缆头测温传感器安装在电缆沟中两段电缆的连结处，所述无线电缆头测温传感器用于测量电缆连接处的温度；
所述无线振动传感器安装在电缆本体上，所述无线振动传感器用于测量电缆的振动幅度和频率；
所述无线水浸传感器安装在地下室配电房的电缆沟底部，所述无线水浸传感器用于测量电缆沟底部的浸水状态；
所述无线烟雾传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器和无线局放监测传感器分别安装于地下室配电房的顶部，所述无线烟雾传感器、无线温湿度传感器、无线摄像头、无线红外传感器、无线气体传感器和无线局放监测传感器分别对地下室配电房内的烟雾、温湿度、地下室配电房内画面、活体、有害气体以及配电设备的绝缘放电状态进行监测。
3.如权利要求1所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于：所述RFID数据读写器可定时或呈即时召测地读取各个传感器组内的RFID电子标签内的存储数据，所述RFID数据读写器与传感器组件内的各个无线传感器形成与RFID数据读写器为中央节点的星形网络。
4.如权利要求1所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于，所述RFID数据读写器内嵌的功耗管理机制包括：
1)设置RFID传感器监测单元上传数据类型；
当传感器监测值处于正常值内，标记传感器监测状态为0，写入RFID电子标签的数据仅为状态数据，而不写入实测数据值，实测数据值存入自身存储器内；
当传感器监测值超过正常值时，标记传感器监测状态为1，写入RFID电子标签的数据实测数据值；
2)设置RFID传感器监测单元上传数据间隔：设置根据传感器组内各传感器监测数据的重要程度划分响应等级，根据响应等级设置不同间隔的问询时间，问询时间之外设定各传感器和RFID数据读写器处于低功耗休眠模式；到指定间隔时间后RFID数据读写器启动唤醒各传感器上传RFID电子标签数据；
3)后台主站主动召测数据时，RFID数据读写器下发数据获取指令给RFID传感器监测单元，传感器组内写入实测数据至RFID电子标签并传送至RFID数据读写器。
5.如权利要求1所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于，所述LoRaMesh网络以多跳无线方式进行通信。
6.如权利要求1所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于：所述RFID数据读写器还可对读取获得的数据进行分析处理，及对异常的告警信息进行研判，并发出与外部设备联动的控制信号。
7.一种超低功耗地下室配电房无线传感监测方法，应用于如权利要求1-6中任一项所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测系统，其特征在于，所述超低功耗地下室配电房无线传感监测方法包括如下步骤：
1)各个传感器通过内置RFID电子标签与RFID数据读写器形成星形通讯结构；
2)各个传感器组件与智能网关之间通过LoRa中继器进行数据传输，不同传感器组件之间的LoRa中继器形成LoRaMesh通讯结构；
3)传感器组件内的各个传感器根据检测是否异常写入不同数据长度的RFID电子标签数据，无异常时仅写入和上传仅表述状态0的数据，有异常写入和上传仅表述实际测量的具体数据；
4)RFID数据读写器根据预设的时间间隔问询各传感器组件，并读取各传感器组件内的各个传感器内置的RFID电子标签数据；
5)LoRa中继器之间自动组网形成LoRaMESH网络，RFID数据读写器将读取的标签数据通过LoRa中继器经LoRaMESH网络上传至智能网关；
6)智能网关通过协议转换和远距离通信的方式将读取的标签数据上传至后台主站，对以供后台主站对监测数据进行进一步的分析处理。
8.如权利要求7所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测方法，其特征在于：所述LoRaMESH网络的结构中预先设定每个LoRaMESH网络中均具有两个簇头，两所述簇头中的一者为主簇头，另一者为辅簇头，所述LoRaMESH网络通过所述主簇头和辅簇头与智能网关进行通讯连接，所述LoRaMESH网络将各个传感器监测到的数据传送至智能网关；当主簇头失效时，辅簇头承担对外通信任务。
9.如权利要求8所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测方法，其特征在于：所述主辅簇头的变更周期可自由设置，所述主辅簇头能够根据自身设备的剩余能量进行定期的变更。
10.如权利要求9所述的超低功耗地下室配电房无线传感监测方法，其特征在于：将每个簇中剩余能量最多的LoRa节点作为该群的主簇头。
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