鄧心方,文玉梅,李 平

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,傳感器與儀器研究中心,重慶 400044)

?

采用自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電線安全監(jiān)測系統(tǒng)*

鄧心方,文玉梅*,李 平

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,傳感器與儀器研究中心,重慶 400044)

電線故障會引起火災(zāi),對電線溫度、電流進(jìn)行在線監(jiān)測能預(yù)防事故發(fā)生。設(shè)計了采用自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電線安全監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)由傳感節(jié)點、中繼節(jié)點、路由節(jié)點、服務(wù)器和客戶端組成。采用自供電技術(shù)解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中傳感節(jié)點不能持續(xù)供能的問題,對傳感節(jié)點工作狀態(tài)進(jìn)行控制以降低傳感節(jié)點能耗,傳感節(jié)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(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),引入中繼節(jié)點,延伸通信距離。將系統(tǒng)用于電線安全監(jiān)測,該系統(tǒng)通信可靠、工作時間長、數(shù)據(jù)實時、人機(jī)操作方便,為電線安全的監(jiān)測提供了技術(shù)支持。

電線監(jiān)測;無線傳感網(wǎng)絡(luò);自供電;中繼節(jié)點

隨著各種電氣設(shè)施增加,各行各業(yè)用電需求增長,相應(yīng)的電線故障也隨之增加,據(jù)公安消防部門統(tǒng)計,因電線本身故障造成的火災(zāi)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(xiàn),對電線溫度、電流進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測能夠預(yù)防事故發(fā)生。無線傳感網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程環(huán)境量監(jiān)測中有廣泛的應(yīng)用[1],利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測[2]、水質(zhì)監(jiān)測[3],路燈控制[4]、工業(yè)系統(tǒng)[5]、智能交通[6]、建筑監(jiān)測[7]、礦井安全[8]等領(lǐng)域都有被運(yùn)用,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為電線安全監(jiān)測提供了方法。無線傳感節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分,在實際應(yīng)用中,由于無線傳感節(jié)點數(shù)量多,分布廣,安裝環(huán)境復(fù)雜等,很難通過更換電池對傳感節(jié)點持續(xù)供能,制約了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。因此,收集環(huán)境能量為傳感節(jié)點供能,實現(xiàn)傳感節(jié)點自供電是一個重要方向[9-12]。采用自供電技術(shù)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行供能確保了傳感節(jié)點能夠長久在線工作,但是自供電技術(shù)采集能量受環(huán)境能量限制,自供電電源不能時時為自供電傳感節(jié)點提供充足的能量,同時也不能保證傳感節(jié)點在擁有較遠(yuǎn)的通信距離的時候保持較低的數(shù)據(jù)丟失率,因此降低傳感節(jié)點功耗、延伸通信距離是自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

為了解決傳感節(jié)點不能持續(xù)供能的問題,采用自供電技術(shù)采集監(jiān)測電線周圍的電磁能并轉(zhuǎn)化為電能為傳感節(jié)點供能,選用星形結(jié)構(gòu)組建結(jié)構(gòu)簡單、能量消耗少的自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò),同時對傳感節(jié)點的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,設(shè)置活躍和休眠2種狀態(tài)交替進(jìn)行,延長休眠時間來降低一個工作周期內(nèi)傳感節(jié)點的能耗,使傳感節(jié)點在一個工作周期內(nèi)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(jié)點和路由節(jié)點間引入中繼節(jié)點。編寫監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器、客戶端軟件,人機(jī)界面友好。系統(tǒng)可對電線溫度、電流進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測,有效的預(yù)防事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由傳感節(jié)點、中繼節(jié)點、路由節(jié)點、服務(wù)器和客戶端組成。傳感節(jié)點監(jiān)測電線溫度、電流,同時為了解決傳感節(jié)點不能持續(xù)供能的問題,采用自供電技術(shù)將監(jiān)測電線周圍的電磁能轉(zhuǎn)換為電能為傳感節(jié)點供能。傳感節(jié)點采集的電線溫度、電流數(shù)據(jù)都是通過無線傳輸發(fā)送到路由節(jié)點,或者將傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點,然后將多個中繼節(jié)點收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到它的上級路由節(jié)點。路由節(jié)點對溫度、電流、采集地點的節(jié)點編號等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)再處理,形成數(shù)據(jù)組,最后通過CDMA公共網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)組發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器,客戶端可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器接收數(shù)據(jù),最終實現(xiàn)電線溫度、電流的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。

圖1 自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 自供電傳感節(jié)點

自供電傳感節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感前端,其結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)將監(jiān)測電線周圍的電磁能量轉(zhuǎn)化為電能為整個傳感節(jié)點模塊供電;溫度傳感器,電流傳感器采集監(jiān)測電線上的溫度、電流數(shù)據(jù);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(fā)器和嵌入的8051單片機(jī)組成,支持2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和Zigbee協(xié)議,采用低功耗設(shè)計,低功耗狀態(tài)的電流小于0.1 μA。Zigbee模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和Zigbee協(xié)議下的無線通信。

圖2 自供電傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)

1.1.1 傳感節(jié)點功耗

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

完整的Zigbee協(xié)議體系復(fù)雜,冗余代碼會增加節(jié)點功耗,因此在設(shè)計底層Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)時可采用最簡單的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖1所示,星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點間采用點對點的通信方式,數(shù)據(jù)只在不同層Zigbee節(jié)點間通信,避免同層傳感節(jié)點間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而損耗能量,可以減少傳感節(jié)點的功耗。

圖3 傳感節(jié)點工作流程

如果傳感節(jié)點一直處于活躍狀態(tài),傳感節(jié)點的能量消耗很大,為了減少能耗,傳感節(jié)點設(shè)計了活躍和休眠兩個狀態(tài),傳感節(jié)點工作流程如圖3所示,活躍狀態(tài)時,自供電電平指示為高,傳感節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)發(fā)送。自供電電平指示為低時,傳感節(jié)點進(jìn)入休眠,此時節(jié)點處于低功耗狀態(tài)。

表1是傳感節(jié)點活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)的具體能耗,活躍狀態(tài)能量消耗包括復(fù)位、CPU初始化、數(shù)采初始化、I/O設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送幾部分,能耗共計2.83 mJ,工作時間為約為55 ms。休眠狀態(tài)下,能耗約為60 μJ,休眠時間為3 min。通過對傳感節(jié)點的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,減少了傳感節(jié)點的能耗。

表1 不同狀態(tài)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(dāng)傳感節(jié)點正常工作時,超級電容放電,當(dāng)傳感節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài),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(jié)點一個工作周期內(nèi)所需要的能量,多余的能量存儲在鋰電池中,當(dāng)能量采集器不能從環(huán)境中獲得足夠能量的時候可以用電池為傳感節(jié)點供電。

采用自供電技術(shù)為傳感節(jié)點供電,組建星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、控制傳感節(jié)點工作狀態(tài),減少了傳感節(jié)點能耗,實現(xiàn)了傳感節(jié)點長久在線工作。但是由于自供電技術(shù)受周圍環(huán)境能量限制,不能保證傳感節(jié)點在擁有較遠(yuǎn)的通信距離的時候保持較低的數(shù)據(jù)丟失率。

1.2 中繼節(jié)點

雖然上述研究都從宏觀層面討論了養(yǎng)老服務(wù)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(diào)整、服務(wù)對象擴(kuò)大、養(yǎng)老方式變化的層面上，并沒有對貫穿其中的主導(dǎo)思想及其在不同時期的提法和表現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對“社會化”的討論也較少。

在安裝環(huán)境中,當(dāng)傳感節(jié)點和路由節(jié)點間距離過遠(yuǎn)或兩個節(jié)點間有大量障礙物時,可能導(dǎo)致傳感節(jié)點和路由節(jié)點無法直接進(jìn)行通信。針對這種情況,提出中繼節(jié)點的解決方案。中繼節(jié)點由單獨(dú)的Zigbee模塊組成,它通過Zigbee無線通信收集、傳遞傳感節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點,延伸了通信距離。

1.3 路由節(jié)點

為了能夠同時對所有區(qū)域的電線信息就行統(tǒng)一監(jiān)測,設(shè)計了路由節(jié)點。路由節(jié)點能夠接受傳感節(jié)點直接發(fā)送來的數(shù)據(jù)以及通過中繼節(jié)點收集、傳遞的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)發(fā)送到服務(wù)器。路由節(jié)點采用廈門才茂公司的CM6560P模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信,CM6560P內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議,提供多種串行通信接口方式,如RS485、RS232等常有串口,在數(shù)據(jù)傳輸過程采用“數(shù)據(jù)透明傳輸”的方式,使用方便。同時支持心跳包技術(shù),支持在線檢測,在線維持,掉線自動重?fù)?可以確保自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)長久在線,穩(wěn)定工作。

1.4 服務(wù)器和客戶端

服務(wù)器接收所有區(qū)域路由節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),實現(xiàn)對所有區(qū)域電線信息進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測,服務(wù)器自動從公網(wǎng)下載路由節(jié)點數(shù)據(jù),快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行快速連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)互動,并將數(shù)據(jù)顯示出來,最后實現(xiàn)和客戶端間通信。服務(wù)器軟件采用Labview平臺開發(fā),數(shù)據(jù)庫采用Access設(shè)計,有較好的人機(jī)操作界面,其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

功能模塊包括數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)錄入、點對點數(shù)據(jù)發(fā)送、廣播數(shù)據(jù)發(fā)送、客戶端通信等部分。狀態(tài)模塊包括狀態(tài)提示、狀態(tài)燈閃爍、聲音播放、節(jié)點映射表等部分。數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、權(quán)限管理等部分。

2 實驗及應(yīng)用

2.1 實驗

2.1.1 可靠性測試

數(shù)據(jù)在無線傳輸過程中,隨著兩節(jié)點傳輸距離的變化,數(shù)據(jù)的丟失率相應(yīng)變化。表2所示為路由節(jié)點在不同距離接收到傳感節(jié)點數(shù)據(jù)組數(shù)的統(tǒng)計情況。

表2 數(shù)據(jù)丟失率和距離關(guān)系

表2可以看出傳感節(jié)點和路由節(jié)點間距離在30 m內(nèi),無數(shù)據(jù)丟失,30 m之后開始有數(shù)據(jù)丟失,隨著距離變遠(yuǎn),數(shù)據(jù)丟失率越來越高,到50 m時,數(shù)據(jù)全部丟失。因此在安裝系統(tǒng)時,傳感節(jié)點和路由節(jié)點之間的距離應(yīng)在30 m以內(nèi),當(dāng)通信距離超過30 m時,可在傳感節(jié)點和路由節(jié)點間加入中繼節(jié)點,來延伸通信距離。

系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)丟失來自傳感節(jié)點到路由節(jié)點間的數(shù)據(jù)和路由節(jié)點到服務(wù)器間的數(shù)據(jù)丟失,路由節(jié)點到服務(wù)器間的數(shù)據(jù)丟失與公網(wǎng)信號強(qiáng)弱有關(guān)。

表3 數(shù)據(jù)丟失率統(tǒng)計

表3所示為從服務(wù)器軟件上統(tǒng)計的數(shù)據(jù)接收情況。從表中可以看出整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失率約為1%,這主要是來自路由節(jié)點到服務(wù)器間的數(shù)據(jù)丟失。

實時的從服務(wù)器上接收到傳感節(jié)點采集到的電線信息,能夠及時的了解監(jiān)測電線的安全狀況。從服務(wù)器軟件截取系統(tǒng)運(yùn)行208天后的部分監(jiān)測數(shù)據(jù),如圖5所示,從傳感器采集數(shù)據(jù)時間到服務(wù)器顯示數(shù)據(jù)時間之差不超過1 min。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示

2.1.2 自供電電源電壓測試

傳感節(jié)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(yīng)變化。在實際監(jiān)測中,傳感節(jié)點會一直處于在線工作狀態(tài),但當(dāng)監(jiān)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(jìn)行測試分析。圖6為自供電電源電壓隨傳感節(jié)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(jié)點工作而變化但波動較小,傳感節(jié)點能耗較低。當(dāng)監(jiān)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(dāng)監(jiān)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(dāng)電池電壓達(dá)到3.9 V時,不再進(jìn)行充電。

2.2 應(yīng)用

該系統(tǒng)不僅通過實驗驗證了其可行性,在實際中也得到應(yīng)用,圖7所示為系統(tǒng)用于配電箱的監(jiān)測,一年的監(jiān)測時間里,系統(tǒng)各部分工作正常,當(dāng)監(jiān)測電線的溫度或電流數(shù)據(jù)超過了服務(wù)器設(shè)定的閾值,服務(wù)器就會發(fā)出語音報警。圖8為服務(wù)器實時監(jiān)測到的配電箱電線溫度、電流信息。

圖7 配電箱監(jiān)測應(yīng)用

圖8 實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)

圖8顯示了監(jiān)測的配電箱的溫度和電流信息,圖中紅色曲線為溫度數(shù)據(jù),曲線顯示溫度比較穩(wěn)定,波動不大,在正常范圍。白色曲線為電流數(shù)據(jù),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(jié)論

本文介紹了一種采用自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)。采用自供電技術(shù)為傳感節(jié)點供能,組建了星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),控制傳感節(jié)點工作狀態(tài),設(shè)置了活躍和休眠2種狀態(tài),活躍狀態(tài)傳感節(jié)點工作時間約為55 ms,能耗為2.83 mJ,休眠狀態(tài)持續(xù)時間3 min,能耗約為60 μJ,一個工作中期內(nèi)傳感節(jié)點總能耗較低,自供電電源能夠滿足傳感節(jié)點的能量需求。測試了自供電電源電壓變化規(guī)律,確保傳感節(jié)點能夠長久在線工作,不用更換電池。測試了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能,傳感節(jié)點在30 m內(nèi)無數(shù)據(jù)丟失,當(dāng)通信距離超過30 m時,在傳感節(jié)點和路由節(jié)點之間引入中繼節(jié)點,延伸了通信距離,傳感節(jié)點采集監(jiān)測信息到服務(wù)器接收監(jiān)測信息時間差在1 min內(nèi)。最后將此監(jiān)測系統(tǒng)用于電線安全監(jiān)測實例,服務(wù)器能夠?qū)崟r了解監(jiān)測電線的運(yùn)行情況,對異常情況進(jìn)行預(yù)警,避免因電線異常導(dǎo)致財產(chǎn)損失。系統(tǒng)可用于智能電網(wǎng)、醫(yī)院、酒店等地的電線安全監(jiān)測。

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

文玉梅(1964-),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為傳感及檢測儀器技術(shù),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