电力塔无线传感器网络监测系统关键技术研究

论文摘要

无线传感器网络通过部署在现场的微型传感器节点,将数据采集、处理后通过自组织无线网络技术把信息传输给汇聚节点,实现对节点部署区域信息的监测,它尤其适合在一些地形自然条件差、需要长期或大量数据采集的场合应用。本文结合无线传感器网络的优势特点,以高压输电线路和电力塔环境信息监测网络为研究对象,重点在监测网络的网络结构、通信协议、节点硬件实现、MAC协议和路由协议算法、电路能耗控制、差错控制传输能效与可靠性几个关键技术方面进行相关理论和应用研究。论文主要完成了以下几方面的工作：首先根据电力系统目前通信技术应用情况和无线传感器网络技术相关应用研究,分析了电力塔监测网络的实际现状,提出了电力塔无线传感器网络的线性组网模型,设计了整体和区域两种网络体系相结合的监测系统模型。从整个监测区域角度,电力塔地理位置呈线形特点,采用网状网结构；从单个电力塔角度,采用星型网结构；每个星型网簇头又构成网状网的普通节点,整体网络呈现线性网络特性。这种混合型组网方式使得传感器节点部署方便,网络协议的设计层次清晰,非常适合电力塔这种地理位置特殊的监测对象。其次介绍了电力塔监测网络的硬件整体结构和各模块的实现思想,提出了实现无线网关功能的Sink汇聚节点和普通信息采集传感器节点两种类型设计方法。完成了主控制单元模块、ZigBee无线通信模块、GPRS数据传输模块、视频图像采集单元模块、温湿度采集模块、电源管理模块、电池电量监测模块的详细电路原理图、PCB电路板的设计与实现。第三对监测网络的无线通信协议进行研究分析,电力塔监测网络节点分布密度较小、采集的数据变化相对缓慢,在S-MAC协议基础上,提出根据网络通信流量变化采用动态唤醒周期的新算法；同时结合分层路由协议LEACH算法和DPC算法的优点,在随机选择簇头机制基础上,提出结合节点功率控制进行簇头选择的轮换路由改进算法；新的MAC层协议和网络层路由算法改进方案降低了节点的系统开销,效果很好。第四根据电力塔数据采集传输的实际需求,设计了节点视频图像、温湿度采集信息的数据帧格式,提出了在汇聚节点上的分层嵌套式数据包封装协议设计方法；该方法简化了节点监测数据的处理过程,其最上层采用的标准IP协议实现了汇聚节点通过GPRS网关与因特网的远程数据互连。采用标准C语言完成了各硬件单元驱动程序、节点自组网和数据收发程序、无线通信协议程序的实现与联调。第五对降低节点能耗的几种方法进行研究分析,从信道接入方式动态变化、CPU处理器低频时钟源工作源低功耗工作模式的配置、数据采集处理方式的改进、数据传输差错控制方法多方面对节点能耗进行估算分析,提出了节点簇头选择根据电池电量监测的新方法,对节点生命周期延长作用明显；并重点研究了视频图像侦听告警方式、数据传输FEC前向纠错方式对缩短无线通信模块工作时间、能耗降低的效果估算。本文在电力塔无线传感器网络几个关键技术方面提出的改进协议算法和新应用思路,经试验结果验证可行,为进一步完善监测网络打下良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 相关研究领域及其发展现状
• 1.2.1 电力设施监测系统通信技术
• 1.2.2 无线传感器网络技术
• 1.3 电力塔无线传感器网络国内外研究现状
• 1.3.1 电力塔监测系统特点及目前研究现状
• 1.3.2 无线传感器网络电力系统应用研究现状
• 1.4 电力塔无线传感器网络主要通信问题
• 1.4.1 无线传感器网络的通信可靠性研究
• 1.4.2 监测数据信息的通信协议研究
• 1.5 本文主要内容及章节安排
• 第2章 电力塔监测系统模型的建立
• 2.1 电力塔监测系统网络特性分析
• 2.2 无线传感器网络拓扑结构
• 2.2.1 ZigBee技术拓扑结构
• 2.2.2 无线传感器网络构成
• 2.2.3 电力塔传感器监测节点功能及构成
• 2.2.4 无线传感器网络的关键技术
• 2.3 电力塔监测系统模型
• 2.3.1 电力塔监测系统整体结构
• 2.3.2 线性组网模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 电力塔监测网络节点的设计与实现
• 3.1 监测节点硬件整体结构
• 3.2 CPU控制单元实现方法
• 3.2.1 主控制芯片性能分析
• 3.2.2 主控制模块设计与实现
• 3.3 传感器节点无线模块设计
• 3.3.1 ZigBee模块性能分析
• 3.3.2 无线收发模块设计
• 3.4 Sink节点GPRS数据通信模块
• 3.4.1 GPRS技术相关理论
• 3.4.2 GPRS数据收发电路设计
• 3.5 信息采集单元模块设计
• 3.5.1 视频图像采集单元
• 3.5.2 温度采集单元
• 3.5.3 湿度采集单元
• 3.6 低功耗电池管理模块设计
• 3.6.1 Sink节点供电模块设计方法
• 3.6.2 节点双供电与电量监测管理电路
• 3.7 本章小结
• 第4章 电力塔监测网络通信协议
• 4.1 基于动态唤醒的MAC协议研究
• 4.1.1 MAC协议相关理论
• 4.1.2 动态侦听新型S-MAC算法
• 4.2 监测网络路由协议研究
• 4.2.1 路由协议相关理论
• 4.2.2 基于能量控制的路由算法
• 4.3 网络监测节点数据传输控制协议
• 4.3.1 传感器节点入网与数据收发
• 4.3.2 低能耗视频图像信息采集与处理
• 4.3.3 温度信息采集与处理
• 4.3.4 湿度信息采集与处理
• 4.4 Sink节点与因特网数据传输控制协议
• 4.4.1 GPRS网络登录控制
• 4.4.2 汇聚节点网关数据帧结构
• 4.4.3 监测信息数据包帧结构
• 4.5 本章小结
• 第5章 传感器节点能耗控制策略研究
• 5.1 节点动态唤醒周期机制研究
• 5.2 节点硬件低功耗模式设计
• 5.2.1 电池电量检测动态管理节能研究
• 5.2.2 主处理器低功耗工作模式分析
• 5.3 节点数据采集融合节能模式研究
• 5.3.1 视频图像采集侦听模式
• 5.3.2 视频图像数据压缩技术
• 5.4 节点差错控制方法能效分析
• 5.4.1 差错控制技术
• 5.4.2 仿真验证与实现
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表论文和科研成果
• 致谢