TinyOS感知節(jié)點(diǎn)在智能電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用

黃宏光，鐘 俊，李國才

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;2.智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065)

0 引言

中國輸電線有300 000 km，且以每年3%的速度增加，如何監(jiān)測和預(yù)測輸電線的事故征兆、降低輸電線的事故率，是2010年國家電網(wǎng)關(guān)于智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制規(guī)劃中輸電環(huán)節(jié)的主要項(xiàng)目之一，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行輸電線路的監(jiān)測也被列入國家10年重大科技專項(xiàng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN由無數(shù)個(gè)感知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置，形成可動態(tài)擴(kuò)展的感知網(wǎng)絡(luò)，感知節(jié)點(diǎn)采用傳感器、無線通信單元、微處理器形成一個(gè)具有基本前端處理能力的節(jié)點(diǎn)。由于感知節(jié)點(diǎn)的微型化、智能化和自組網(wǎng)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于各種物體和設(shè)備，則這些物體和設(shè)備形成一個(gè)數(shù)量巨大、分布廣泛的信息交換數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，和現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，將使地球村變成物物相聯(lián)的智能世界，對人類社會的發(fā)展模式產(chǎn)生重大的影響。TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的一種微型操作系統(tǒng)。是目前主流的WSN的操作系統(tǒng)之一，TinyOS由一系列的軟件組件和硬件組件構(gòu)成，而一個(gè)完整的系統(tǒng)配置由一個(gè)調(diào)度器和組件表組成。

下面就利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TinyOS及感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸電線路監(jiān)測所涉及的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、能量控制、地址分配等進(jìn)行底層技術(shù)特性分析，并給出一個(gè)基本的方案流程。

1 輸電線應(yīng)用中的WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆胁煌男问?，其特性也有所不同，在?shí)際實(shí)現(xiàn)中推薦采用網(wǎng)格狀、網(wǎng)格狀+星形方式，典型的網(wǎng)格狀如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)狀拓?fù)渚哂凶越M路由和自愈特性，適合WSN的網(wǎng)絡(luò)布局方式和傳輸環(huán)境要求，這種拓?fù)涞亩嗦酚傻奶攸c(diǎn)使數(shù)據(jù)可以上流的模式從感知節(jié)點(diǎn)到基站，也可以下流的模式到其他節(jié)點(diǎn)，可以廣播方式發(fā)布到一個(gè)會聚區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)，或者在一個(gè)簇中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間發(fā)布。

在輸電線應(yīng)用中，布置在輸電線上的感知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格狀拓?fù)浔容^容易，只要注意以多路由的方式布局，工程上可以按間距50 m左右的等邊三角形布設(shè)。

網(wǎng)格狀的多路由特性使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可動態(tài)配置為不同的功率模式，以節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提供的模式有HP模式、LP模式、ELP模式。在協(xié)議方面，網(wǎng)格狀拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議可實(shí)現(xiàn)低功率偵聽(平均電流小于220 μA)、時(shí)間同步、休眠狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)到基站路由、基站到節(jié)點(diǎn)路由。典型室內(nèi)應(yīng)用一般在30～1 200 m2的范圍。如遠(yuǎn)距離傳輸應(yīng)用，則發(fā)信功率控制到－6 dBm。室外應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)分布于幾千平方米的范圍，平均密度1 000 m2為一個(gè)。

圖2給出了針對網(wǎng)絡(luò)狀拓?fù)涞腤SWN網(wǎng)絡(luò)，利用Micaz進(jìn)行的端到端應(yīng)答傳輸實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)。

圖2 48個(gè)節(jié)點(diǎn)的72小時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 能量消耗

能量消耗是WSN中在應(yīng)用中需要解決的主要技術(shù)問題，低功耗設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案中的能量管理也是目前研究的熱點(diǎn)問題。工程上供電方式一般有常規(guī)電池、可充電電池，也有太陽能供電和基于輸電線的供電方式。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，感知節(jié)點(diǎn)提供底層的能量控制接口或工作模式，為應(yīng)用實(shí)現(xiàn)給出可控制和優(yōu)化的手段。這些接口涉及MCU、無線通信、讀寫操作。目前最底層的能量控制可實(shí)現(xiàn)晶振頻率的改變。表1給出了一組典型的電流消耗數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1的電流消耗情況，可計(jì)算出電池容量和使用壽命，如表2所示，

在輸電線應(yīng)用中，其使用周期較長，表2給出的參數(shù)距工程應(yīng)用存在一定的差距，可以考慮其他的延長電池壽命的方法。

表1 感知節(jié)點(diǎn)在不同工作狀態(tài)下的工作電流

續(xù)表2 典型電池使用壽命

表3 輸出功率的編程控制范圍

WSN的信道工作頻率為2.4 GHz，在使用中，WSN的通信單元可以在IEEE 802.15.4的信道內(nèi)調(diào)整，典型數(shù)據(jù)如M2110’的Atmel通信單元，信道數(shù)為11 ～26，對應(yīng)頻率為 2.405 ～2.480 GHz ，每信道帶寬為5 MHz。由于發(fā)信功率是WSN節(jié)點(diǎn)的能量消耗的主要部分，對其進(jìn)行優(yōu)化控制是能量控制中的有效方法，在應(yīng)用中，射頻發(fā)信功率可通過編程控制，以減少能量消耗，表3給出了典型的控制接口和功率的對應(yīng)關(guān)系。

利用控制接口，射頻發(fā)信功率的編程控制范圍是3～–17.2 dBm。在輸電線實(shí)用中，通過編程控制，利用適當(dāng)?shù)偷陌l(fā)信功率可有效地減少通信部分的能量消耗，也利于降低干擾。

3 地址分配

應(yīng)用中，同信道的信息通過8比特的組ID來區(qū)別。實(shí)現(xiàn)WSN中的簇劃分，在消息頭中，通過16比特的目的地節(jié)點(diǎn)地址，地址格式為 IP，如12.11.13.230，在應(yīng)用中，兩個(gè)數(shù)字126和255由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用。

輸電線應(yīng)用中，簇劃分及節(jié)點(diǎn)地址的分配視具體應(yīng)用而定，可按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分配。

4 用于輸電線監(jiān)測的調(diào)度機(jī)制

調(diào)度策略研究給出不同的技術(shù)路線［3］。TinyOS 2.x任務(wù)調(diào)度模型如圖 3 所示［1－2］，一個(gè)任務(wù)若需要執(zhí)行多次，可在任務(wù)結(jié)束的代碼處添加將自己再次投遞入隊(duì)的代碼即可。這種方式可避免出現(xiàn)任務(wù)隊(duì)列已滿而無法通知分相事件結(jié)束的問題，實(shí)現(xiàn)一個(gè)任務(wù)只占任務(wù)隊(duì)列的一個(gè)位置［4］。

圖3 TinyOS 2.x任務(wù)調(diào)度模型

輸電線中線路的狀態(tài)監(jiān)測按狀態(tài)監(jiān)測、前端故障診斷、前端在線預(yù)警分解為TinyOS下的任務(wù)，利用函數(shù)指針進(jìn)行投遞調(diào)度，調(diào)度方式在Cygwin下用nesC編程實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

智能電網(wǎng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置目前有不同的研究方案，基于TinyOS構(gòu)建WSN實(shí)現(xiàn)線路的狀態(tài)監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像的采集。目前，整個(gè)實(shí)現(xiàn)有了初步的結(jié)果，正進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)實(shí)現(xiàn)中。

［1]TEP 106:Schedulers and Tasks:at http://www.tinyos.net/tinyos－2.x.

［2]TEP 119 Collection at http://www.tinyos.net/tinyos－2.x.

［3]尹震宇，趙海，林愷，等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)調(diào)度策略［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007，33(17):77－79.

［4]鐘雷，武澤旭，章正辰，等，TinyOS 2.x的調(diào)度策略及協(xié)議分析［J］.通信與信息技術(shù)，2010(3):66－69.