TinyOS感知节点在智能电网输电环节的应用

2011-07-17黄宏光李国才

四川电力技术 2011年4期

黄宏光，钟俊，李国才

(1.四川大学电气信息学院，四川成都 610065;2.智能电网四川省重点实验室，四川成都 610065)

0 引言

中国输电线有300 000 km，且以每年3%的速度增加，如何监测和预测输电线的事故征兆、降低输电线的事故率，是2010年国家电网关于智能电网关键设备研制规划中输电环节的主要项目之一，利用无线传感器网络技术进行输电线路的监测也被列入国家10年重大科技专项。

无线传感器网络WSN由无数个感知节点随机布置，形成可动态扩展的感知网络，感知节点采用传感器、无线通信单元、微处理器形成一个具有基本前端处理能力的节点。由于感知节点的微型化、智能化和自组网的特点，将其应用于各种物体和设备，则这些物体和设备形成一个数量巨大、分布广泛的信息交换数字通信网络，和现有的IP网络结合，将使地球村变成物物相联的智能世界，对人类社会的发展模式产生重大的影响。TinyOS是由加州大学伯克利分校专门为无线传感器网络开发的一种微型操作系统。是目前主流的WSN的操作系统之一，TinyOS由一系列的软件组件和硬件组件构成，而一个完整的系统配置由一个调度器和组件表组成。

下面就利用无线传感器网络TinyOS及感知节点进行输电线路监测所涉及的网络拓扑、能量控制、地址分配等进行底层技术特性分析，并给出一个基本的方案流程。

1 输电线应用中的WSN网络拓扑

WSN网络拓扑有不同的形式，其特性也有所不同，在实际实现中推荐采用网格状、网格状+星形方式，典型的网格状如图1所示。

图1 网格状网络拓扑结构

网络状拓扑具有自组路由和自愈特性，适合WSN的网络布局方式和传输环境要求，这种拓扑的多路由的特点使数据可以上流的模式从感知节点到基站，也可以下流的模式到其他节点，可以广播方式发布到一个会聚区域的所有节点，或者在一个簇中的两个节点间发布。

在输电线应用中，布置在输电线上的感知节点实现网格状拓扑比较容易，只要注意以多路由的方式布局，工程上可以按间距50 m左右的等边三角形布设。

网格状的多路由特性使网络中的节点可动态配置为不同的功率模式，以节省节点的能量消耗，提供的模式有HP模式、LP模式、ELP模式。在协议方面，网格状拓扑的路由协议可实现低功率侦听(平均电流小于220 μA)、时间同步、休眠状态、节点到基站路由、基站到节点路由。典型室内应用一般在30～1 200 m2的范围。如远距离传输应用，则发信功率控制到－6 dBm。室外应用，节点分布于几千平方米的范围，平均密度1 000 m2为一个。

图2给出了针对网络状拓扑的WSWN网络，利用Micaz进行的端到端应答传输实验中的数据。

图2 48个节点的72小时传输实验数据

2 能量消耗

能量消耗是WSN中在应用中需要解决的主要技术问题，低功耗设计和实现方案中的能量管理也是目前研究的热点问题。工程上供电方式一般有常规电池、可充电电池，也有太阳能供电和基于输电线的供电方式。

在实际实现中，感知节点提供底层的能量控制接口或工作模式，为应用实现给出可控制和优化的手段。这些接口涉及MCU、无线通信、读写操作。目前最底层的能量控制可实现晶振频率的改变。表1给出了一组典型的电流消耗数据。

根据表1的电流消耗情况，可计算出电池容量和使用寿命，如表2所示，

在输电线应用中，其使用周期较长，表2给出的参数距工程应用存在一定的差距，可以考虑其他的延长电池寿命的方法。

表1 感知节点在不同工作状态下的工作电流

续表2 典型电池使用寿命

表3 输出功率的编程控制范围

WSN的信道工作频率为2.4 GHz，在使用中，WSN的通信单元可以在IEEE 802.15.4的信道内调整，典型数据如M2110’的Atmel通信单元，信道数为11 ～26，对应频率为 2.405 ～2.480 GHz ，每信道带宽为5 MHz。由于发信功率是WSN节点的能量消耗的主要部分，对其进行优化控制是能量控制中的有效方法，在应用中，射频发信功率可通过编程控制，以减少能量消耗，表3给出了典型的控制接口和功率的对应关系。

利用控制接口，射频发信功率的编程控制范围是3～–17.2 dBm。在输电线实用中，通过编程控制，利用适当低的发信功率可有效地减少通信部分的能量消耗，也利于降低干扰。