TinyOS感知節點在智能電網輸電環節的應用

黃宏光，鐘 俊，李國才

(1.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;2.智能電網四川省重點實驗室，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，如何監測和預測輸電線的事故征兆、降低輸電線的事故率，是2010年國家電網關于智能電網關鍵設備研制規劃中輸電環節的主要項目之一，利用無線傳感器網絡技術進行輸電線路的監測也被列入國家10年重大科技專項。

無線傳感器網絡WSN由無數個感知節點隨機布置，形成可動態擴展的感知網絡，感知節點采用傳感器、無線通信單元、微處理器形成一個具有基本前端處理能力的節點。由于感知節點的微型化、智能化和自組網的特點，將其應用于各種物體和設備，則這些物體和設備形成一個數量巨大、分布廣泛的信息交換數字通信網絡，和現有的IP網絡結合，將使地球村變成物物相聯的智能世界，對人類社會的發展模式產生重大的影響。TinyOS是由加州大學伯克利分校專門為無線傳感器網絡開發的一種微型操作系統。是目前主流的WSN的操作系統之一，TinyOS由一系列的軟件組件和硬件組件構成，而一個完整的系統配置由一個調度器和組件表組成。

下面就利用無線傳感器網絡TinyOS及感知節點進行輸電線路監測所涉及的網絡拓撲、能量控制、地址分配等進行底層技術特性分析，并給出一個基本的方案流程。

1 輸電線應用中的WSN網絡拓撲

WSN網絡拓撲有不同的形式，其特性也有所不同，在實際實現中推薦采用網格狀、網格狀+星形方式，典型的網格狀如圖1所示。

圖1 網格狀網絡拓撲結構

網絡狀拓撲具有自組路由和自愈特性，適合WSN的網絡布局方式和傳輸環境要求，這種拓撲的多路由的特點使數據可以上流的模式從感知節點到基站，也可以下流的模式到其他節點，可以廣播方式發布到一個會聚區域的所有節點，或者在一個簇中的兩個節點間發布。

在輸電線應用中，布置在輸電線上的感知節點實現網格狀拓撲比較容易，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。

網格狀的多路由特性使網絡中的節點可動態配置為不同的功率模式，以節省節點的能量消耗，提供的模式有HP模式、LP模式、ELP模式。在協議方面，網格狀拓撲的路由協議可實現低功率偵聽(平均電流小于220 μA)、時間同步、休眠狀態、節點到基站路由、基站到節點路由。典型室內應用一般在30～1 200 m2的范圍。如遠距離傳輸應用，則發信功率控制到－6 dBm。室外應用，節點分布于幾千平方米的范圍，平均密度1 000 m2為一個。

圖2給出了針對網絡狀拓撲的WSWN網絡，利用Micaz進行的端到端應答傳輸實驗中的數據。

圖2 48個節點的72小時傳輸實驗數據

2 能量消耗

能量消耗是WSN中在應用中需要解決的主要技術問題，低功耗設計和實現方案中的能量管理也是目前研究的熱點問題。工程上供電方式一般有常規電池、可充電電池，也有太陽能供電和基于輸電線的供電方式。

在實際實現中，感知節點提供底層的能量控制接口或工作模式，為應用實現給出可控制和優化的手段。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現晶振頻率的改變。表1給出了一組典型的電流消耗數據。

根據表1的電流消耗情況，可計算出電池容量和使用壽命，如表2所示，

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

表1 感知節點在不同工作狀態下的工作電流

續表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的信道內調整，典型數據如M2110’的Atmel通信單元，信道數為11 ～26，對應頻率為 2.405 ～2.480 GHz ，每信道帶寬為5 MHz。由于發信功率是WSN節點的能量消耗的主要部分，對其進行優化控制是能量控制中的有效方法，在應用中，射頻發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關系。

利用控制接口，射頻發信功率的編程控制范圍是3～–17.2 dBm。在輸電線實用中，通過編程控制，利用適當低的發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

應用中，同信道的信息通過8比特的組ID來區別。實現WSN中的簇劃分，在消息頭中，通過16比特的目的地節點地址，地址格式為 IP，如12.11.13.230，在應用中，兩個數字126和255由網絡內部使用。

輸電線應用中，簇劃分及節點地址的分配視具體應用而定，可按標準進行分配。

4 用于輸電線監測的調度機制

調度策略研究給出不同的技術路線［3］。TinyOS 2.x任務調度模型如圖 3 所示［1－2］，一個任務若需要執行多次，可在任務結束的代碼處添加將自己再次投遞入隊的代碼即可。這種方式可避免出現任務隊列已滿而無法通知分相事件結束的問題，實現一個任務只占任務隊列的一個位置［4］。

圖3 TinyOS 2.x任務調度模型

輸電線中線路的狀態監測按狀態監測、前端故障診斷、前端在線預警分解為TinyOS下的任務，利用函數指針進行投遞調度，調度方式在Cygwin下用nesC編程實現。

5 結論

智能電網輸電線路狀態監測裝置目前有不同的研究方案，基于TinyOS構建WSN實現線路的狀態監測，可實現數據和圖像的采集。目前，整個實現有了初步的結果，正進行進一步的研究和開發實現中。

［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，無線傳感器網絡操作系統調度策略［J］.計算機工程，2007，33(17):77－79.

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