39500字硕士毕业论文电力设施在线监测无线传感器网络节点及通信协议探讨
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：39500字
论点：传感器,在线,网络
论文概述：
根据电气设备在线监测中，监测对象的多样性、监测网络规模的复杂性等要求，结合无线传感器网络节点设计原则和现有无线传感器网络协议特点，设计一个适用于电气设备在线监测的无线传感
论文正文：
介绍
1.1主题的背景和意义
随着电力工业的发展，电气设备的维护方法经历了三个阶段:事故后维护、预测性维护和预防性维护，统称为计划维护。长期工作经验表明，事故后初期维护和较为成熟的预测性维护都有很大的局限性，非常不利于超高压和电力系统自动化的发展要求。主要表现为:①计划检修的试验条件与电力变压器的运行环境有很大差异。例如，变压器的实际运行电压远高于试验电压(一般不超过10 kV)，预防性试验难以全面发现潜在的绝缘缺陷和故障。(2)由于事故也可能发生在预防性试验期间，因此有可能在计划维护中遗漏绝缘故障报告。(3)计划维护费时费力，不利于电力系统自动化。(4)从经济角度来看，定期检测带来的停电会对国民经济产生一定的影响，定期检修也需要大量资金。因此，计划维修系统已逐渐不能满足更高的供电可靠性要求。
现代科学技术的发展，特别是传感器技术、信息处理技术和计算机技术的发展，使得人们能够对电气设备的运行状态进行实时在线监测，从而为状态维修提供维修依据。电气设备在线监测技术作为状态检修的技术基础，受到高度重视，成为电力系统研究领域的新课题。电气设备在线监测技术具有以下优点:①在线监测能够及时发现电气设备的早期缺陷，防止突发事故的发生，提高设备运行的安全性和可靠性。(2)可以减少不必要的停电试验，避免传统试验中电气设备“过度检修”造成的损失，延长变压器的使用寿命。(3)在线监测可以获得离线检测无法获得的信息，为判断电气设备的运行状态提供了足够的信息。
因此，用基于在线监测的状态维修系统取代计划维修系统是发展趋势。据日本相关数据报告
2无线传感器网络概述，由于变压器运行状态在线监测和故障诊断技术的应用，年维护成本降低了25%-50%，停电时间减少了75%。现有的电气设备在线监测系统，无论是集中式的还是分布式的，都需要通过相应的有线电缆将各种传感器提供的信号传输到数据处理中心。目前，我国电气设备在线监测中使用的通信手段主要包括RS-485总线和现场总线，如LONWORKS总线和CAN总线等第二代和第三代传感器网络
2.1无线传感器网络架构
网络各层及其协议的集合称为网络架构，即网络架构是网络及其组件应执行的功能的精确定义77]。体系结构在网络协议和功能模块的设计中起着至关重要的作用，在很大程度上决定着网络规划和整体性能。由于无线传感器网络主要面向低速、低功耗的无线应用，其单节点是典型的资源有限的嵌入式系统，需要具备环境感知、数据传输、命令接收和执行以及其他网络功能和数据处理能力，传统架构和大量现有协议不再适用于无线传感器网络。无线传感器网络的体系结构和设计方法应充分考虑网络特性和特殊的应用环境。的通信手段。这些通信手段都连接到监控系统的上位机。使用这种有线通信方法
2.1.1网络结构
无线传感器网络结构如图2.1所示。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。大量传感器节点随机部署在传感器场中或附近，并且可以通过自组织方式形成网络。传感器节点收集的数据沿着其他传感器节点逐跳传输。监控数据可以在传输过程中由多个节点处理，经过多次跳跃后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户通过任务管理节点配置和管理传感器网络，发布监控任务并收集监控数据。: ①由于电缆的限制，无法实现发电机转子和其他设备状态参数的接触监测。(2)各种电气设备需要监控许多参数，例如安装在水电机组中的数百个传感器。一些数据表明，300兆瓦汽轮发电机组所需的传感器数量高达950 ~ 1050
3电气设备无线传感器网络节点设计……28-40
3.1设计原则……28-29
3.1.1无线传感器网络节点设计原则……28-29
3.1.2电气设备无线传感器网络部分……29 [/BR/] 3.2现有无线传感器网络节点简介……29-32 [/BR/] 3.3节点硬件设计……32-39
3.3.1结构设计……32-34 [/BR/] 3.3.2节点无线网络操作模块设计……34-39[/比尔/] 3.4概述……39-40
4无线传感器网络节点软件设计……40-47
4.1 TinyOS简介……40-42
4.1.1 TinyOS整体架构和功能……40-41
4 . 1 . 2 NESC编程语言4.2节点的TinyOS驱动程序设计……41-42
……42-46
4.2.1编写硬件表达式层和硬件抽象层文件……43-44[/比尔/] 4.2.2全国协调委员会汇编……44-45 [/BR/] 4.2.3语法编辑脚本……45-46[/ Br/] 4.2.4调试和下载……46
4.3概述……46-47
5消除集群间干扰的路由和时分多址调度协议设计……47-64
5.1群集路由协议简介……47-54 [/BR/] 5.1.1无线传感器网络路由协议……47-48 [/BR/] 5.1.2集群路由协议简介……48-54
5.2集群路由协议中的集群间干扰……54-56
5.3消除集群间干扰的路由和时分多址调度协议设计……56-61 [/BR/] 5.3.1网络模型……56[/比尔/] 5.3.2算法描述……56-59 [/BR/] 5.3.3协议实施……59-61
5.4协议连接和测试……61-63。虽然水轮发电机组和汽轮发电机在结构上有很大的不同，但传感器的数量也相当大。大量电缆很难引出，这不仅增加了布线成本，还可能损坏发电机的绝缘。(3)随着时间的推移，电气设备内部的传感器将不可避免地老化或失效，这将导致监控参数的丢失。(4)通用监控系统设计完成后，很难添加和调整传感器。传感器配置的变化可能需要修改系统软件源程序[6]。为了克服上述缺点，无线传感器网络将是一个很好的选择。无线传感器网络是近年来随着无线通信、集成电路、传感器、微机电系统等技术的快速发展而出现的一种新型网络。它由大量传感器节点组成，是一种全新的信息采集和处理技术。它可以实时监控、感知和收集各种环境或监控对象的信息。因此，无线传感器网络在军事、工业、医疗、环境监测、交通管理、应急救援和救灾等地方具有巨大的应用价值和潜在的应用前景，[7-10]。
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结论
随着无线传感器网络的发展，测控网络技术正从有线网络向无线网络发展，各种测控系统不断完善为无线系统。在这种大趋势下，本文设计了一种用于电气设备在线监测的无线传感器网络。根据电气设备在线监测中监测对象多样性和监测网络规模复杂性的要求，结合无线传感器网络节点的设计原则和现有无线传感器网络协议的特点，设计了一种适用于电气设备在线监测的无线传感器网络系统。主要工作如下:
①在收集和查阅国内外无线传感器网络和电气设备在线监测相关文献的基础上，总结了无线传感器网络的体系结构、特点和关键技术，对无线传感器网络的应用进行了分类，并初步分析了其在电气设备监测中的应用。
②总结无线传感器网络节点的设计原则，提出电气设备在线监测无线传感器网络节点的设计要求。熟悉无线传感器网络节点硬件框架，分析现有节点硬件组成和最新节点相关技术，以及存在的不足。在此基础上，提出了节点硬件的具体实现方案。
③熟悉TinyOS架构及其编程语言nesC用法。了解现有硬件平台的TinyOS迁移方法。根据本文节点的硬件资源，编写了TinyOS迁移所需的硬件抽象层和硬件表达式层组件，从而成功地将TinyOS嵌入到硬件中。
④了解构建运行协议栈的节点所需的各种协议，选择更适合本文的协议，并用nesC语言实现。设计了一种适用于电气设备在线监测的跨层路由协议。该协议基于适用于大规模无线传感器网络系统的集群路由协议，跨越网络层和媒体访问控制层。针对当前集群路由协议中存在的集群间干扰，分析了消除集群间干扰的方法，提出了一种消除集群间干扰的方法，并用nesC语言实现。在此基础上，通过连接网络组织所需的其他协议，完成了一个相对完整的无线传感器网络协议栈，并通过该协议栈验证了本文设计的跨层路由协议。实验表明，该协议能够在一定程度上消除基于簇路由的无线传感器网络中的簇间干扰问题，从而实现同一区域内簇间数据的协调传输。
参考
[1]王畅唱，李付琪。电气设备在线监测和故障诊断[。北京:清华大学出版社，1996，14-21。
[2]关根志，何梁静。电气设备绝缘在线监测与故障诊断[。中国电力，Vo1。33，第3期，2000年3月:46-50。
[3]金贤河。大型电力变压器局部放电声发射在线监测研究[。清华大学硕士论文，1988年。
[4]海滨，曾鹏，魏亮，智能无线传感器网络系统[]。北京:科学出版社，2005。
[5]王全弟，杜王松。李永明、张占龙、杨永明。变电站自动化无线传感器网络体系结构[。《信息与控制》，2007年第36卷，第5期。
[6]宣建平，张桂才，石林铁等。大型机电监控系统在线传感器配置技术研究[J]。测量和控制技术1998。17(5): 18-20。
[7]阿克里第兹、苏威、桑卡拉萨布拉曼尼亚和卡因基. e .无线传感器网络:一项调查[.计算机网络。2002年，38(4): 393-422。
[8]谢长廷。将传感器网络用于公路和交通应用[。潜力，IEEE.2004，23(2): 13-16。
[9]科特帕利诉阿、基雷米吉安·阿、林奇·J·P等.结构健康监测的双层无线传感器网络体系结构[·C]。SPIE第十届智能结构和材料国际年会。美国加利福尼亚州圣地亚哥。2003年3月2日至6日，
[10]伯勒尔·J、布鲁克·T、贝克with R .葡萄园计算传感器网络在农业生产中的应用[·C]。普适计算。2004年，3(1): 38-45。