采用自供电无线传感网络的电线安全监测系统*

邓心方,文玉梅,李 平

(重庆大学光电工程学院,传感器与仪器研究中心,重庆 400044)



采用自供电无线传感网络的电线安全监测系统*

邓心方,文玉梅*,李 平

(重庆大学光电工程学院,传感器与仪器研究中心,重庆 400044)

电线故障会引起火灾,对电线温度、电流进行在线监测能预防事故发生。设计了采用自供电无线传感网络的电线安全监测系统,系统由传感节点、中继节点、路由节点、服务器和客户端组成。采用自供电技术解决无线传感网络监测系统中传感节点不能持续供能的问题,对传感节点工作状态进行控制以降低传感节点能耗,传感节点具有体积小、能耗低、不用更换电池等特点。分析自供电条件下,无线传感网络的网络结构,引入中继节点,延伸通信距离。将系统用于电线安全监测,该系统通信可靠、工作时间长、数据实时、人机操作方便,为电线安全的监测提供了技术支持。

电线监测;无线传感网络;自供电;中继节点

随着各种电气设施增加,各行各业用电需求增长,相应的电线故障也随之增加,据公安消防部门统计,因电线本身故障造成的火灾事故,约占事故率的40%。电线温度、电流异常是电线故障的初期表现,对电线温度、电流进行远程在线监测能够预防事故发生。无线传感网络在远程环境量监测中有广泛的应用[1],利用无线传感网络设计的监测系统在农业监测[2]、水质监测[3],路灯控制[4]、工业系统[5]、智能交通[6]、建筑监测[7]、矿井安全[8]等领域都有被运用,无线传感网络的发展为电线安全监测提供了方法。无线传感节点是无线传感网络的基本组成部分,在实际应用中,由于无线传感节点数量多,分布广,安装环境复杂等,很难通过更换电池对传感节点持续供能,制约了无线传感网络的应用。因此,收集环境能量为传感节点供能,实现传感节点自供电是一个重要方向[9-12]。采用自供电技术为无线传感网络节点进行供能确保了传感节点能够长久在线工作,但是自供电技术采集能量受环境能量限制,自供电电源不能时时为自供电传感节点提供充足的能量,同时也不能保证传感节点在拥有较远的通信距离的时候保持较低的数据丢失率,因此降低传感节点功耗、延伸通信距离是自供电无线传感网络监测系统设计的关键。

为了解决传感节点不能持续供能的问题,采用自供电技术采集监测电线周围的电磁能并转化为电能为传感节点供能,选用星形结构组建结构简单、能量消耗少的自供电无线传感网络,同时对传感节点的工作状态进行控制,设置活跃和休眠2种状态交替进行,延长休眠时间来降低一个工作周期内传感节点的能耗,使传感节点在一个工作周期内消耗的能量不大于自供电电源输出的能量。为了延伸通信距离,在传感节点和路由节点间引入中继节点。编写监测系统的服务器、客户端软件,人机界面友好。系统可对电线温度、电流进行远程实时监测,有效的预防事故发生。

1 系统结构

自供电无线传感网络监测系统结构如图1所示,系统由传感节点、中继节点、路由节点、服务器和客户端组成。传感节点监测电线温度、电流,同时为了解决传感节点不能持续供能的问题,采用自供电技术将监测电线周围的电磁能转换为电能为传感节点供能。传感节点采集的电线温度、电流数据都是通过无线传输发送到路由节点,或者将传感节点的数据发送到中继节点,然后将多个中继节点收集的数据发送到它的上级路由节点。路由节点对温度、电流、采集地点的节点编号等数据进行数据再处理,形成数据组,最后通过CDMA公共网络,将数据组发送到远程服务器,客户端可以通过Internet网络从服务器接收数据,最终实现电线温度、电流的远程实时监测。

图1 自供电无线传感网络监测系统结构

1.1 自供电传感节点

自供电传感节点是无线传感网络的传感前端,其结构如图2所示,包括能量采集模块、传感器、Zigbee模块三部分。能量采集模块由能量采集器和能量管理电路组成,负责将监测电线周围的电磁能量转化为电能为整个传感节点模块供电;温度传感器,电流传感器采集监测电线上的温度、电流数据;Zigbee模块采用美国CEL公司的ZICM2410模块,ZICM2410由一个基带模式的射频收发器和嵌入的8051单片机组成,支持2.4 GHz IEEE 802.15.4标准和Zigbee协议,采用低功耗设计,低功耗状态的电流小于0.1 μA。Zigbee模块负责进行数据处理和Zigbee协议下的无线通信。

图2 自供电传感节点结构

1.1.1 传感节点功耗

传感节点是采用自供电技术来供电,但自供电技术采集能量受环境能量限制,自供电电源不能时时为自供电传感节点提供充足的能量,为了保证传感节点长久在线工作,应该降低传感节点功耗。

完整的Zigbee协议体系复杂,冗余代码会增加节点功耗,因此在设计底层Zigbee无线传感网络时可采用最简单的星形网络结构,如图1所示,星形网络结构节点间采用点对点的通信方式,数据只在不同层Zigbee节点间通信,避免同层传感节点间进行数据交换而损耗能量,可以减少传感节点的功耗。

图3 传感节点工作流程

如果传感节点一直处于活跃状态,传感节点的能量消耗很大,为了减少能耗,传感节点设计了活跃和休眠两个状态,传感节点工作流程如图3所示,活跃状态时,自供电电平指示为高,传感节点进行数据采集和无线数据发送。自供电电平指示为低时,传感节点进入休眠,此时节点处于低功耗状态。

表1是传感节点活跃状态和休眠状态的具体能耗,活跃状态能量消耗包括复位、CPU初始化、数采初始化、I/O设置、数据采集、数据发送几部分,能耗共计2.83 mJ,工作时间为约为55 ms。休眠状态下,能耗约为60 μJ,休眠时间为3 min。通过对传感节点的工作状态进行控制,减少了传感节点的能耗。

表1 不同状态能量消耗

1.1.2 自供电电源

自供电能量管理电路由匹配电路,整流电路,储能电容,控制电路及放电电路组成[13-14]。存储电容为超级电容,当传感节点正常工作时,超级电容放电,当传感节点进入休眠状态,且能量采集器有输出时,超级电容充电。选用超级电容的容值为0.47 F,耐压值为5 V。在一个能量释放周期,后端可以获得的能量约为17.75 mJ[15]。

能量管理电路一次释放的能量大于传感节点一个工作周期内所需要的能量,多余的能量存储在锂电池中,当能量采集器不能从环境中获得足够能量的时候可以用电池为传感节点供电。

采用自供电技术为传感节点供电,组建星形网络结构、控制传感节点工作状态,减少了传感节点能耗,实现了传感节点长久在线工作。但是由于自供电技术受周围环境能量限制,不能保证传感节点在拥有较远的通信距离的时候保持较低的数据丢失率。

1.2 中继节点

虽然上述研究都从宏观层面讨论了养老服务政策在几十年跨度中的演变，但是大部分还都是停留在国家角色的调整、服务对象扩大、养老方式变化的层面上，并没有对贯穿其中的主导思想及其在不同时期的提法和表现进行系统的分析，对“社会化”的讨论也较少。

在安装环境中,当传感节点和路由节点间距离过远或两个节点间有大量障碍物时,可能导致传感节点和路由节点无法直接进行通信。针对这种情况,提出中继节点的解决方案。中继节点由单独的Zigbee模块组成,它通过Zigbee无线通信收集、传递传感节点发来的数据,将数据发送到路由节点,延伸了通信距离。

1.3 路由节点

为了能够同时对所有区域的电线信息就行统一监测,设计了路由节点。路由节点能够接受传感节点直接发送来的数据以及通过中继节点收集、传递的数据,然后将数据通过远程无线通信技术发送到服务器。路由节点采用厦门才茂公司的CM6560P模块实现远程无线通信,CM6560P内部集成了TCP/IP协议,提供多种串行通信接口方式,如RS485、RS232等常有串口,在数据传输过程采用“数据透明传输”的方式,使用方便。同时支持心跳包技术,支持在线检测,在线维持,掉线自动重拨,可以确保自供电无线传感网络监测系统长久在线,稳定工作。

1.4 服务器和客户端

服务器接收所有区域路由节点发来的数据,实现对所有区域电线信息进行统一监测,服务器自动从公网下载路由节点数据,快速进行数据处理,与数据库系统进行快速连接,进行数据互动,并将数据显示出来,最后实现和客户端间通信。服务器软件采用Labview平台开发,数据库采用Access设计,有较好的人机操作界面,其结构框图如图4所示。

图4 监测系统软件结构框图

功能模块包括数据监控、数据查询、数据录入、点对点数据发送、广播数据发送、客户端通信等部分。状态模块包括状态提示、状态灯闪烁、声音播放、节点映射表等部分。数据管理模块包括数据采集、数据处理、数据存储、权限管理等部分。

2 实验及应用

2.1 实验

2.1.1 可靠性测试

数据在无线传输过程中,随着两节点传输距离的变化,数据的丢失率相应变化。表2所示为路由节点在不同距离接收到传感节点数据组数的统计情况。

表2 数据丢失率和距离关系

表2可以看出传感节点和路由节点间距离在30 m内,无数据丢失,30 m之后开始有数据丢失,随着距离变远,数据丢失率越来越高,到50 m时,数据全部丢失。因此在安装系统时,传感节点和路由节点之间的距离应在30 m以内,当通信距离超过30 m时,可在传感节点和路由节点间加入中继节点,来延伸通信距离。

系统整体数据丢失来自传感节点到路由节点间的数据和路由节点到服务器间的数据丢失,路由节点到服务器间的数据丢失与公网信号强弱有关。

表3 数据丢失率统计

表3所示为从服务器软件上统计的数据接收情况。从表中可以看出整体系统的数据丢失率约为1%,这主要是来自路由节点到服务器间的数据丢失。

实时的从服务器上接收到传感节点采集到的电线信息,能够及时的了解监测电线的安全状况。从服务器软件截取系统运行208天后的部分监测数据,如图5所示,从传感器采集数据时间到服务器显示数据时间之差不超过1 min。

图5 监测数据显示

2.1.2 自供电电源电压测试

传感节点工作会消耗能量,能量采集器可以从电线中获得能量,自供电电源电压也会相应变化。在实际监测中,传感节点会一直处于在线工作状态,但当监测电线没有电流时,能量采集器不能从电线中获得能量,需要对自供电电源电压进行测试分析。图6为自供电电源电压随传感节点工作时间变化而升降示意图。

图6 自供电电源电压变化

图6可以看出,电池电压随着传感节点工作而变化但波动较小,传感节点能耗较低。当监测电线没有电流时,能量采集器不能从电线中获得能量,电池电压降低,当监测电线中有电流时,能量采集器从电线中获得能量,并将多余能量存储到电池中,电池电压升高。同时随着电池电压不断升高,电池电压的变化越来越慢,当电池电压达到3.9 V时,不再进行充电。

2.2 应用

该系统不仅通过实验验证了其可行性,在实际中也得到应用,图7所示为系统用于配电箱的监测,一年的监测时间里,系统各部分工作正常,当监测电线的温度或电流数据超过了服务器设定的阈值,服务器就会发出语音报警。图8为服务器实时监测到的配电箱电线温度、电流信息。

图7 配电箱监测应用

图8 实时监测的数据

图8显示了监测的配电箱的温度和电流信息,图中红色曲线为温度数据,曲线显示温度比较稳定,波动不大,在正常范围。白色曲线为电流数据,通过曲线可以分析得到无人用电时,电流为0 A,有人用电时,电流在5 A～7 A范围波动,在正常范围。

3 结论

本文介绍了一种采用自供电无线传感网络的监测系统。采用自供电技术为传感节点供能,组建了星形网络结构,控制传感节点工作状态,设置了活跃和休眠2种状态,活跃状态传感节点工作时间约为55 ms,能耗为2.83 mJ,休眠状态持续时间3 min,能耗约为60 μJ,一个工作中期内传感节点总能耗较低,自供电电源能够满足传感节点的能量需求。测试了自供电电源电压变化规律,确保传感节点能够长久在线工作,不用更换电池。测试了无线传感网络的传输性能,传感节点在30 m内无数据丢失,当通信距离超过30 m时,在传感节点和路由节点之间引入中继节点,延伸了通信距离,传感节点采集监测信息到服务器接收监测信息时间差在1 min内。最后将此监测系统用于电线安全监测实例,服务器能够实时了解监测电线的运行情况,对异常情况进行预警,避免因电线异常导致财产损失。系统可用于智能电网、医院、酒店等地的电线安全监测。

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邓心方(1989-),男,硕士,研究方向为无线传感网络,dengxf@cqu.edu.cn;

文玉梅(1964-),女,教授,博士生导师,主要研究方向为传感及检测仪器技术,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

项目来源:国家863计划项目(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