本發(fā)明涉及變電站，特別是一種用于變電站環(huán)境的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)及其組網(wǎng)工作方法，該組網(wǎng)方案可以推廣至對傳感器節(jié)點能耗要求比較嚴(yán)苛的其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合中。

背景技術(shù)：

當(dāng)今電力系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelessensornetwork,wsn)的協(xié)作、低成本、易安裝以及靈活性使其相對傳統(tǒng)的通信技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最新的研究進展使得低成本的嵌入式電力監(jiān)測和診斷系統(tǒng)實現(xiàn)完全可行。在這些系統(tǒng)中，無線多功能傳感器節(jié)點安裝在智能電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備處并監(jiān)控各個設(shè)備運行的關(guān)鍵參數(shù)，使得智能電網(wǎng)可以針對不斷變化的環(huán)境及時地進行響應(yīng)。從這方面來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在創(chuàng)建和維護一個高可靠和高自愈的智能電力系統(tǒng)中至關(guān)重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中現(xiàn)有的和潛在的應(yīng)用非常廣泛，包括無線自動抄表(wirelessawtomaticmeterreadingsystem,wamr)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)檢測和設(shè)備故障檢測等。然而，目前這些應(yīng)用的實現(xiàn)都直接取決于已部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠有效的通信能力，而苛刻復(fù)雜的電力系統(tǒng)環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性提出了巨大挑戰(zhàn)。另外，考慮到電力系統(tǒng)高溫高壓環(huán)境以及傳感器節(jié)點安裝的位置，經(jīng)常性地更換傳感器節(jié)點是非常麻煩不現(xiàn)實的?，F(xiàn)在大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是采用有源供電方式，比如電池供電，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期有限。因此，為了延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間，節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計時需要重點考慮的因素。

經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國公開專利號201120056219.5提出了一種基于zigbee無線技術(shù)的無線測溫系統(tǒng)，旨在克服有線測溫傳感器在抗干擾、絕緣和安裝尺寸等方面的缺陷，并具有自組網(wǎng)能力。但該文并沒有提出有效的降低傳感器節(jié)點能耗的方案，以延長系統(tǒng)的免維護時間。中國公開專利號為201420651204.7提出的一種具有無線組網(wǎng)功能的變電站母線智能測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供一種能夠全面覆蓋變電站母線的溫度測點，實現(xiàn)對整個變電站電氣設(shè)備的智能監(jiān)控。但與前者類似，雖然功能上解決了電氣設(shè)備無線測溫問題，但未考慮測溫傳感器節(jié)點電池供電有限的情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題主要是針對以上系統(tǒng)對于傳感器節(jié)點能耗的不足，提供一種用于變電站的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)，降低傳感器節(jié)點的能耗，延長系統(tǒng)后期的免維護時間。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種用于變電站的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括：底層測溫傳感器節(jié)點、上層路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測站，其特點在于，所述的底層測溫傳感器節(jié)點采用sub-g頻段自組網(wǎng)，所述的底層測溫傳感器節(jié)點與所述的上層路由節(jié)點之間采用串行外設(shè)接口通信，所述的上層路由節(jié)點之間采用低功耗局域網(wǎng)絡(luò)傳輸信號，所述的上層路由器節(jié)點和所述的網(wǎng)關(guān)之間傳輸信號，所述的網(wǎng)關(guān)與所述的監(jiān)測站之間傳輸信號。

所述的路由節(jié)點包括與底層測溫傳感器節(jié)點通信的sub-g芯片和與所述的網(wǎng)關(guān)通信的zigbee芯片，這兩者之間采用spi串口協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

所述的傳感器節(jié)點采用基于時隙的載波偵聽多路訪問信道接入機制，傳感器葉子節(jié)點根據(jù)自己所在子網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的數(shù)目將一個通信周期進行等分，節(jié)點隨機選擇其中的一個時隙與路由節(jié)點進行通信。由于無法完全避免節(jié)點同時醒來后發(fā)生競爭信道的情況，在隨機接入信道時隙時間后加入一段競爭時間解決這一問題。

上述用于變電站的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)工作方法，包括以下步驟：

1)底層測溫傳感節(jié)點對溫度進行采樣，在底層測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸；

2)底層測溫傳感器節(jié)點將采集到的溫度信息通過spi通信傳給上層路由節(jié)點；

3)上層路由節(jié)點通過zigbee組網(wǎng)將溫度信息數(shù)據(jù)包傳輸給網(wǎng)關(guān)；

4)所述的網(wǎng)關(guān)將溫度信息數(shù)據(jù)包解析得到節(jié)點信息和溫度值，寫入數(shù)據(jù)庫中，供監(jiān)測站監(jiān)測、顯示；

5)監(jiān)測站將監(jiān)測結(jié)果經(jīng)所述的網(wǎng)關(guān)、上層路由節(jié)點和底層測溫傳感節(jié)點，同時底層網(wǎng)絡(luò)根據(jù)監(jiān)測站發(fā)出的指令進行相應(yīng)的處理。

所述的上層路由節(jié)點采用的是最低丟包率路徑優(yōu)先路由算法，該算法實現(xiàn)的核心是基于路由發(fā)現(xiàn)過程得到的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)，各節(jié)點存儲的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)表中記錄的是兩個路由節(jié)點間接收消息時rf模塊測量得到的接收信號強度值rssi，通過該值計算兩節(jié)點間路由路徑上的總誤碼率可以得到路徑的總丟包率。

一種用于變電站環(huán)境的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)，即底層測溫傳感器與路由節(jié)點間采用sub-g頻段組網(wǎng)降低傳感器節(jié)點能耗并提高無線信號的繞射能力，路由節(jié)點間則采用2.4gzigbee協(xié)議以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

本系統(tǒng)結(jié)合電力系統(tǒng)多障礙物的應(yīng)用環(huán)境提出了分層簇樹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

所述的路由節(jié)點是作為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點，需要同時支持zigbee組網(wǎng)協(xié)議與底層sub-g頻段組網(wǎng)協(xié)議。底層無線傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過底層自組網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到路由節(jié)點，路由節(jié)點通過zigbee網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)進行相應(yīng)處理，以完成數(shù)據(jù)的采集和處理。

為了降低單個傳感器節(jié)點成功接入信道需進行退避的次數(shù)，節(jié)點mac層采用基于時隙劃分機制的csma/ca信道接入方式。

zigbee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層采用的是最低丟包率路徑優(yōu)先路由算法，通過總路徑的丟包率大小決定最短路由路徑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于變電站環(huán)境的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)的示意圖；

圖2是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層簇樹拓?fù)浣Y(jié)果邏輯示意圖

圖3是路由節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

圖4基于時隙的csma/ca信道接入機制

圖5路由算法實現(xiàn)過程

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明系統(tǒng)的框圖如圖1所示，本發(fā)明用于變電站環(huán)境的無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)分為三個模塊：傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測站，通過目標(biāo)檢測區(qū)域(如變電站或者輸電網(wǎng)絡(luò)桿塔)大量鋪設(shè)的傳感器節(jié)點測量關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備的運行狀態(tài)并將其傳輸?shù)奖O(jiān)測站進行顯示，同時底層網(wǎng)絡(luò)根據(jù)監(jiān)測站發(fā)出的指令進行相應(yīng)的處理。

本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由兩個子網(wǎng)絡(luò)組成：作為網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點的路由器形成的上層網(wǎng)絡(luò)和測溫傳感節(jié)點形成的底層網(wǎng)絡(luò)。上層網(wǎng)絡(luò)作為整個網(wǎng)絡(luò)的骨干系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)底層測溫傳感器節(jié)點的測量數(shù)據(jù)的匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)。底層網(wǎng)絡(luò)中的傳感器子節(jié)點根據(jù)自身與路由節(jié)點的通信距離形成一個個獨立的子網(wǎng)絡(luò)，完成傳感數(shù)據(jù)的采集和上層網(wǎng)絡(luò)命令的響應(yīng)。

本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點硬件如圖3所示。路由節(jié)點采用是ti公司的cc430和cc2530芯片，這兩款芯片都是集成了一個mcu處理內(nèi)核和rf內(nèi)核的soc片上系統(tǒng)。cc430主要負(fù)責(zé)與底層的自取能傳感器節(jié)點組網(wǎng)通信，cc2530則是負(fù)責(zé)維持路由節(jié)點之間的zigbee網(wǎng)絡(luò)通信，兩者之間的數(shù)據(jù)交換則采用spi協(xié)議。

圖4是本發(fā)明采用的基于時隙的csma/ca信道接入機制示意圖。傳感器子節(jié)點根據(jù)自己所在子網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的數(shù)目將一個通信周期進行等分，節(jié)點隨機選擇其中的一個時隙與路由節(jié)點進行通信。之所以采用隨機的方式，是為了減少控制消息帶來的額外消耗。由于無法完全避免節(jié)點同時醒來后發(fā)生競爭信道的情況，所以在隨機接入信道時隙時間后加入一段競爭時間解決這一問題。

圖5則是zigbee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層采用的最低丟包率路徑優(yōu)先算法實現(xiàn)過程。最低丟包率路徑優(yōu)先路由算法的核心是基于路由發(fā)現(xiàn)過程得到的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計中各節(jié)點存儲的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)表中記錄的是兩個路由節(jié)點間接收消息時rf模塊測量得到的接收信號強度值rssi(receivedsignalstrengthindication)，利用該rssi參數(shù)值可以計算節(jié)點采用ask調(diào)制方式時的誤比特率，如公式(1)所示：

式中，eb/n0為信噪比(平均比特能量與噪聲功率譜密度的比值)，假設(shè)路由節(jié)點接收到長度為lbits數(shù)據(jù)包的信號強度為pr，則平均比特能量eb為pr/l，該鏈路丟包率pf為1-(1-pe)^l，若從源節(jié)點到目的節(jié)點需經(jīng)過n跳路由，那么此路徑的總丟包率按公式(2)計算：

因此，通過計算兩節(jié)點間路由路徑上的總誤碼率可以得到路徑的總丟包率。若從源節(jié)點到當(dāng)前節(jié)點的前向路由總誤碼率為ppre，當(dāng)前節(jié)點到路由目的節(jié)點的反向路由總誤碼率為pcur，那么此路徑從源節(jié)點到目的節(jié)點的整個路徑總誤碼率如公式(3)所示：

ptotal＝1-(1-ppre)(1-pcur)(3)

在路由發(fā)現(xiàn)過程中，如果新路徑的總丟包率更低，則更新相應(yīng)的路由表項。

最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。