采用自供電無線傳感網絡的電線安全監測系統*

鄧心方,文玉梅,李 平

(重慶大學光電工程學院,傳感器與儀器研究中心,重慶 400044)

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采用自供電無線傳感網絡的電線安全監測系統*

鄧心方,文玉梅*,李 平

(重慶大學光電工程學院,傳感器與儀器研究中心,重慶 400044)

電線故障會引起火災,對電線溫度、電流進行在線監測能預防事故發生。設計了采用自供電無線傳感網絡的電線安全監測系統,系統由傳感節點、中繼節點、路由節點、服務器和客戶端組成。采用自供電技術解決無線傳感網絡監測系統中傳感節點不能持續供能的問題,對傳感節點工作狀態進行控制以降低傳感節點能耗,傳感節點具有體積小、能耗低、不用更換電池等特點。分析自供電條件下,無線傳感網絡的網絡結構,引入中繼節點,延伸通信距離。將系統用于電線安全監測,該系統通信可靠、工作時間長、數據實時、人機操作方便,為電線安全的監測提供了技術支持。

電線監測;無線傳感網絡;自供電;中繼節點

隨著各種電氣設施增加,各行各業用電需求增長,相應的電線故障也隨之增加,據公安消防部門統計,因電線本身故障造成的火災事故,約占事故率的40%。電線溫度、電流異常是電線故障的初期表現,對電線溫度、電流進行遠程在線監測能夠預防事故發生。無線傳感網絡在遠程環境量監測中有廣泛的應用[1],利用無線傳感網絡設計的監測系統在農業監測[2]、水質監測[3],路燈控制[4]、工業系統[5]、智能交通[6]、建筑監測[7]、礦井安全[8]等領域都有被運用,無線傳感網絡的發展為電線安全監測提供了方法。無線傳感節點是無線傳感網絡的基本組成部分,在實際應用中,由于無線傳感節點數量多,分布廣,安裝環境復雜等,很難通過更換電池對傳感節點持續供能,制約了無線傳感網絡的應用。因此,收集環境能量為傳感節點供能,實現傳感節點自供電是一個重要方向[9-12]。采用自供電技術為無線傳感網絡節點進行供能確保了傳感節點能夠長久在線工作,但是自供電技術采集能量受環境能量限制,自供電電源不能時時為自供電傳感節點提供充足的能量,同時也不能保證傳感節點在擁有較遠的通信距離的時候保持較低的數據丟失率,因此降低傳感節點功耗、延伸通信距離是自供電無線傳感網絡監測系統設計的關鍵。

為了解決傳感節點不能持續供能的問題,采用自供電技術采集監測電線周圍的電磁能并轉化為電能為傳感節點供能,選用星形結構組建結構簡單、能量消耗少的自供電無線傳感網絡,同時對傳感節點的工作狀態進行控制,設置活躍和休眠2種狀態交替進行,延長休眠時間來降低一個工作周期內傳感節點的能耗,使傳感節點在一個工作周期內消耗的能量不大于自供電電源輸出的能量。為了延伸通信距離,在傳感節點和路由節點間引入中繼節點。編寫監測系統的服務器、客戶端軟件,人機界面友好。系統可對電線溫度、電流進行遠程實時監測,有效的預防事故發生。

1 系統結構

自供電無線傳感網絡監測系統結構如圖1所示,系統由傳感節點、中繼節點、路由節點、服務器和客戶端組成。傳感節點監測電線溫度、電流,同時為了解決傳感節點不能持續供能的問題,采用自供電技術將監測電線周圍的電磁能轉換為電能為傳感節點供能。傳感節點采集的電線溫度、電流數據都是通過無線傳輸發送到路由節點,或者將傳感節點的數據發送到中繼節點,然后將多個中繼節點收集的數據發送到它的上級路由節點。路由節點對溫度、電流、采集地點的節點編號等數據進行數據再處理,形成數據組,最后通過CDMA公共網絡,將數據組發送到遠程服務器,客戶端可以通過Internet網絡從服務器接收數據,最終實現電線溫度、電流的遠程實時監測。

圖1 自供電無線傳感網絡監測系統結構

1.1 自供電傳感節點

自供電傳感節點是無線傳感網絡的傳感前端,其結構如圖2所示,包括能量采集模塊、傳感器、Zigbee模塊三部分。能量采集模塊由能量采集器和能量管理電路組成,負責將監測電線周圍的電磁能量轉化為電能為整個傳感節點模塊供電;溫度傳感器,電流傳感器采集監測電線上的溫度、電流數據;Zigbee模塊采用美國CEL公司的ZICM2410模塊,ZICM2410由一個基帶模式的射頻收發器和嵌入的8051單片機組成,支持2.4 GHz IEEE 802.15.4標準和Zigbee協議,采用低功耗設計,低功耗狀態的電流小于0.1 μA。Zigbee模塊負責進行數據處理和Zigbee協議下的無線通信。

圖2 自供電傳感節點結構

1.1.1 傳感節點功耗

傳感節點是采用自供電技術來供電,但自供電技術采集能量受環境能量限制,自供電電源不能時時為自供電傳感節點提供充足的能量,為了保證傳感節點長久在線工作,應該降低傳感節點功耗。

完整的Zigbee協議體系復雜,冗余代碼會增加節點功耗,因此在設計底層Zigbee無線傳感網絡時可采用最簡單的星形網絡結構,如圖1所示,星形網絡結構節點間采用點對點的通信方式,數據只在不同層Zigbee節點間通信,避免同層傳感節點間進行數據交換而損耗能量,可以減少傳感節點的功耗。

圖3 傳感節點工作流程

如果傳感節點一直處于活躍狀態,傳感節點的能量消耗很大,為了減少能耗,傳感節點設計了活躍和休眠兩個狀態,傳感節點工作流程如圖3所示,活躍狀態時,自供電電平指示為高,傳感節點進行數據采集和無線數據發送。自供電電平指示為低時,傳感節點進入休眠,此時節點處于低功耗狀態。

表1是傳感節點活躍狀態和休眠狀態的具體能耗,活躍狀態能量消耗包括復位、CPU初始化、數采初始化、I/O設置、數據采集、數據發送幾部分,能耗共計2.83 mJ,工作時間為約為55 ms。休眠狀態下,能耗約為60 μJ,休眠時間為3 min。通過對傳感節點的工作狀態進行控制,減少了傳感節點的能耗。

表1 不同狀態能量消耗

1.1.2 自供電電源

自供電能量管理電路由匹配電路,整流電路,儲能電容,控制電路及放電電路組成[13-14]。存儲電容為超級電容,當傳感節點正常工作時,超級電容放電,當傳感節點進入休眠狀態,且能量采集器有輸出時,超級電容充電。選用超級電容的容值為0.47 F,耐壓值為5 V。在一個能量釋放周期,后端可以獲得的能量約為17.75 mJ[15]。

能量管理電路一次釋放的能量大于傳感節點一個工作周期內所需要的能量,多余的能量存儲在鋰電池中,當能量采集器不能從環境中獲得足夠能量的時候可以用電池為傳感節點供電。

采用自供電技術為傳感節點供電,組建星形網絡結構、控制傳感節點工作狀態,減少了傳感節點能耗,實現了傳感節點長久在線工作。但是由于自供電技術受周圍環境能量限制,不能保證傳感節點在擁有較遠的通信距離的時候保持較低的數據丟失率。

1.2 中繼節點

雖然上述研究都從宏觀層面討論了養老服務政策在幾十年跨度中的演變，但是大部分還都是停留在國家角色的調整、服務對象擴大、養老方式變化的層面上，并沒有對貫穿其中的主導思想及其在不同時期的提法和表現進行系統的分析，對“社會化”的討論也較少。

在安裝環境中,當傳感節點和路由節點間距離過遠或兩個節點間有大量障礙物時,可能導致傳感節點和路由節點無法直接進行通信。針對這種情況,提出中繼節點的解決方案。中繼節點由單獨的Zigbee模塊組成,它通過Zigbee無線通信收集、傳遞傳感節點發來的數據,將數據發送到路由節點,延伸了通信距離。

1.3 路由節點

為了能夠同時對所有區域的電線信息就行統一監測,設計了路由節點。路由節點能夠接受傳感節點直接發送來的數據以及通過中繼節點收集、傳遞的數據,然后將數據通過遠程無線通信技術發送到服務器。路由節點采用廈門才茂公司的CM6560P模塊實現遠程無線通信,CM6560P內部集成了TCP/IP協議,提供多種串行通信接口方式,如RS485、RS232等常有串口,在數據傳輸過程采用“數據透明傳輸”的方式,使用方便。同時支持心跳包技術,支持在線檢測,在線維持,掉線自動重撥,可以確保自供電無線傳感網絡監測系統長久在線,穩定工作。

1.4 服務器和客戶端

服務器接收所有區域路由節點發來的數據,實現對所有區域電線信息進行統一監測,服務器自動從公網下載路由節點數據,快速進行數據處理,與數據庫系統進行快速連接,進行數據互動,并將數據顯示出來,最后實現和客戶端間通信。服務器軟件采用Labview平臺開發,數據庫采用Access設計,有較好的人機操作界面,其結構框圖如圖4所示。

圖4 監測系統軟件結構框圖

功能模塊包括數據監控、數據查詢、數據錄入、點對點數據發送、廣播數據發送、客戶端通信等部分。狀態模塊包括狀態提示、狀態燈閃爍、聲音播放、節點映射表等部分。數據管理模塊包括數據采集、數據處理、數據存儲、權限管理等部分。

2 實驗及應用

2.1 實驗

2.1.1 可靠性測試

數據在無線傳輸過程中,隨著兩節點傳輸距離的變化,數據的丟失率相應變化。表2所示為路由節點在不同距離接收到傳感節點數據組數的統計情況。

表2 數據丟失率和距離關系

表2可以看出傳感節點和路由節點間距離在30 m內,無數據丟失,30 m之后開始有數據丟失,隨著距離變遠,數據丟失率越來越高,到50 m時,數據全部丟失。因此在安裝系統時,傳感節點和路由節點之間的距離應在30 m以內,當通信距離超過30 m時,可在傳感節點和路由節點間加入中繼節點,來延伸通信距離。

系統整體數據丟失來自傳感節點到路由節點間的數據和路由節點到服務器間的數據丟失,路由節點到服務器間的數據丟失與公網信號強弱有關。

表3 數據丟失率統計

表3所示為從服務器軟件上統計的數據接收情況。從表中可以看出整體系統的數據丟失率約為1%,這主要是來自路由節點到服務器間的數據丟失。

實時的從服務器上接收到傳感節點采集到的電線信息,能夠及時的了解監測電線的安全狀況。從服務器軟件截取系統運行208天后的部分監測數據,如圖5所示,從傳感器采集數據時間到服務器顯示數據時間之差不超過1 min。

圖5 監測數據顯示

2.1.2 自供電電源電壓測試

傳感節點工作會消耗能量,能量采集器可以從電線中獲得能量,自供電電源電壓也會相應變化。在實際監測中,傳感節點會一直處于在線工作狀態,但當監測電線沒有電流時,能量采集器不能從電線中獲得能量,需要對自供電電源電壓進行測試分析。圖6為自供電電源電壓隨傳感節點工作時間變化而升降示意圖。

圖6 自供電電源電壓變化

圖6可以看出,電池電壓隨著傳感節點工作而變化但波動較小,傳感節點能耗較低。當監測電線沒有電流時,能量采集器不能從電線中獲得能量,電池電壓降低,當監測電線中有電流時,能量采集器從電線中獲得能量,并將多余能量存儲到電池中,電池電壓升高。同時隨著電池電壓不斷升高,電池電壓的變化越來越慢,當電池電壓達到3.9 V時,不再進行充電。

2.2 應用

該系統不僅通過實驗驗證了其可行性,在實際中也得到應用,圖7所示為系統用于配電箱的監測,一年的監測時間里,系統各部分工作正常,當監測電線的溫度或電流數據超過了服務器設定的閾值,服務器就會發出語音報警。圖8為服務器實時監測到的配電箱電線溫度、電流信息。

圖7 配電箱監測應用

圖8 實時監測的數據

圖8顯示了監測的配電箱的溫度和電流信息,圖中紅色曲線為溫度數據,曲線顯示溫度比較穩定,波動不大,在正常范圍。白色曲線為電流數據,通過曲線可以分析得到無人用電時,電流為0 A,有人用電時,電流在5 A～7 A范圍波動,在正常范圍。

3 結論

本文介紹了一種采用自供電無線傳感網絡的監測系統。采用自供電技術為傳感節點供能,組建了星形網絡結構,控制傳感節點工作狀態,設置了活躍和休眠2種狀態,活躍狀態傳感節點工作時間約為55 ms,能耗為2.83 mJ,休眠狀態持續時間3 min,能耗約為60 μJ,一個工作中期內傳感節點總能耗較低,自供電電源能夠滿足傳感節點的能量需求。測試了自供電電源電壓變化規律,確保傳感節點能夠長久在線工作,不用更換電池。測試了無線傳感網絡的傳輸性能,傳感節點在30 m內無數據丟失,當通信距離超過30 m時,在傳感節點和路由節點之間引入中繼節點,延伸了通信距離,傳感節點采集監測信息到服務器接收監測信息時間差在1 min內。最后將此監測系統用于電線安全監測實例,服務器能夠實時了解監測電線的運行情況,對異常情況進行預警,避免因電線異常導致財產損失。系統可用于智能電網、醫院、酒店等地的電線安全監測。

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鄧心方(1989-),男,碩士,研究方向為無線傳感網絡,dengxf@cqu.edu.cn;

文玉梅(1964-),女,教授,博士生導師,主要研究方向為傳感及檢測儀器技術,ymwen@cqu.edu.cn。

WireSafetyMonitoringSystemUsingaSelf-PoweredWirelessSensorNetwork*

DENGXinfang,WENYumei*,LIPing

(Research Center of Sensors and Instruments,College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Wire fault will cause a fire,to monitor the temperature and current of wire online can prevent the fire occurs.Design a monitoring system with self-powered wireless sensor network,the system includes sensor nodes,relay nodes,routing nodes,server and client.Solving the power supply shortage problem of child node on the wireless sensor network monitoring system with self-powered technology,and reducing energy consumption of sensor nodes by controlling its working state,sensor nodes feature small size,low power consumption and no demand to change battery.To analysis the network structure of the wireless sensor network under the condition of self-powered technology.Add a relay node to extend communication distance.Wire safety monitoring experiments show that the system has the features of reliable communication,long working time,and data acquiring in real time,easily to operate,which will provide technical support for monitoring wire safety.

wire monitoring;wireless sensor network;self-powered;relay nodes

項目來源:國家863計劃項目(2012AA040602)

2014-02-19修改日期:2014-05-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.024

TP212

:A

:1004-1699(2014)06-0842-05