模块进行通信。簇头节点采用锂电池和太阳能电池双重供电机制。在阳光充足时，利用太阳能电池供电，同时对锂电池充电。在没有阳光的时候，簇头节点自动切换为锂电池供电。
[0031]汇聚节点负责无线网络的建立和维护，同时对网络中所有监测数据进行收集，并通过GPRS/Internet公众网络传输到远程监控中心。
[0032]如图1所示，给出了两层架构的无线监测网络的体系结构，图中共有四个簇，每个簇内四个传感器节点和一个簇头节点组成底层网络，四个簇的簇头节点和一个汇聚节点组成顶层网络。每个簇内传感器节点只能与簇头节点进行无线通信，顶层网络中很多的簇头节点都不处于汇聚节点的无线覆盖范围，这些簇头节点的数据则通过其他簇头节点的中继路由传输到汇聚节点。这种两层架构的无线监测网络组网方便、维护容易，传感器节点及簇头节点加入或退出网络方便，通过底层网络的数据融合和顶层网络的高效路由提高了无线通信的效率，适合组建大规模、大范围内的电力设备监控网络。
[0033]如图2所示，给出了传感器节点的结构框图，图中共有两个采集传感器，一个锂电池构成的电源模块和一个780MHz的无线收发模块。无线通信的传输功率要设置为最小需要功率以使其无线覆盖范围限制到单个电力设备内，这样节省发射功率的同时避免了簇之间无线通信干扰。传感器节点平时处于休眠状态，通过定时唤醒完成传感器数据采集并传送给簇头节点，当判断监测状况为正常情况时，传感器采样频率以秒为周期，判断为异常情况时传感器采样频率以毫秒为周期。
[0034]如图3所示，给出了簇头节点的结构框图，图中共有一个780MHz的无线收发模块，一个2.4GHz的无线收发模块和RFX2401模块，一个存储器单元模块，一个锂电池和太阳能电池构成的电源模块。簇头节点要收集簇内传感器节点的数据并通过数据融合来减少传输数据量，还要中继传输其它簇头节点的数据。RFX2401模块使得簇头节点的无线覆盖范围达到1000米以上，保证了相邻电力设备相距较远时无线通信链路的正常。锂电池和太阳能电池的双重供电机制有效地保证了簇头节点不会因为能量耗尽而退出网络。
[0035]如图4所示，给出了底层网络数据通信方式中的两轮示意图。每轮的第一个时间片T是簇头节点发送数据、簇内每个传感器节点接收数据的时间，传感器节点还依靠这个时间片来取得和簇头节点同步，并获得来自簇头的命令字。每轮D1、D2、……、Dn*Nf时间片对应N个传感器节点的数据传输，每个传感器节点对应一个时间片，传感器节点在不需要接收数据、发送数据以及E时间片时则处于休眠状态。另外，当监测状况为正常情况时，相应的传感器节点则每隔几轮传输一次数据，使得采样周期以秒为单位，达到大幅度节省能量的目的。
[0036]由于底层网络局限于单个电力设备，使得底层网络的无线传输距离很短，节省了传感器节点的发射功率，延长了能量受限的传感器节点的生命周期，也避免了与其它簇之间的无线通信干扰。同时，底层网络采用简单的星型结构，传感器节点只与簇内的簇头进行无线数据传输，数据传输采用固定的时间片，避免了数据传输时碰撞的发生，并且传感器节点不传输数据时进入休眠状态。底层网络采用780MHz的频段进行无线通信，具有相对较低的数据传输速率。顶层网络采用2.4GHz的频段进行无线通信，具备了相对较高的数据传输速率，保证了大规模无线监测网络的数据吞吐量。同时这种双频覆盖技术设计避免了底层网络和顶层网络之间的相互干扰。底层网络采用星型结构，顶层网络采用网状网结构。底层网络和顶层网络各自维护自己的路由表，这种分层路由协议设计，减少了顶层网络参与路由计算的节点数目，减小路由表尺寸，降低了通信开销和维护路由表的内存开销，提高了簇头节点数量较多时的通信实时性。底层网络内簇头节点收集簇内所有传感器节点的数据并进行相应的数据融合，减少了传输的数据量，减轻了网络的传输拥塞，降低了数据的传输延迟。而顶层网络通过多个簇头节点间的多跳路由实现数据的中继转发，使得顶层网络的无线覆盖范围广。这种二层架构的组网技术扩展性强，适合对电力系统中分布范围广、距离长、数量多的电力设备组建大规模的无线监控网络。
[0037]上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的无线网络结构为监测单个电力设备的多个传感器节点和相应的簇头节点组成以簇为单位的底层网络，再由各个簇头节点和汇聚节点组成顶层网络；顶层网络各个节点的数据通过节点间的无线中继路由汇聚到汇聚节点，汇聚节点再通过GPRS/Internet公众网络完成整个网络数据的远程传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的传感器节点设置在电力设备内需要监测的各个部位，并采用锂电池供电进行温度、湿度、电压和电流等信息的实时采集；
3.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的无线网络结构对于每个监测的电力设备部署一个簇头节点，收集所有传感器节点数据，并通过其它簇头节点进行数据的中继转发。
4.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的无线网络结构将汇聚节点设置在具有GPRS/Internet公众网络覆盖的地方，通过顶层网络的路由协议收集各个簇头节点数据，并通过GPRS/Internet公众网络远程传输监测数据。
5.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的底层网络采用简单的星型网络结构。
6.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的顶层网络采用网状网结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的顶层网络中每个簇头节点的数据由多个簇头的中继路由传输到汇聚节点。
8.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的簇头节点上设有RF前端芯片增加发射功率。
9.根据权利要求1所述的一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于:所述的簇头节点上设有一个780MHz无线收发模块和一个2.4GHz无线收发模块，底层网络节点之间通过780MHz无线收发模块进行通信，顶层网络节点之间通过2.4GHz无线收发模块进行通信。
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于监测电力设备的无线网络结构，其特征在于：所述的无线网络结构为监测单个电力设备的多个传感器节点和相应的簇头节点组成以簇为单位的底层网络，再由各个簇头节点和汇聚节点组成顶层网络；顶层网络各个节点的数据通过节点间的无线中继路由汇聚到汇聚节点，汇聚节点再通过GPRS/Internet公众网络完成整个网络数据的远程传输。由于采用上述的结构，本实用新型可以满足电力设备监测信息无线传输的同时具有较高的扩展性能。
【IPC分类】H04W84-18
【公开号】CN204482045
【申请号】CN201520221062
【发明人】汪石农, 高文根, 娄柯, 许钢
【申请人】安徽工程大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月13日