1 绪论
1.1课题背景及意义
随着电力工业的发展，电气设备检修维护方法经历了事故后维修、预测性维修和预防性维修三个阶段，它们统称为计划性维修。长期的工作经验表明，不论是最初的事故后维修，还是较为成熟的预测性维修，计划性维修都存在着很大的局限性，极不利于电力系统超高压、自动化的发展要求，主要表现为：① 计划性维修的试验条件与电力变压器的运行环境存在着较大的差别，如变压器的实际运行电压要比试验电压（一般不超过 10 kV）高的多，预防性试验很难全面发现绝缘潜在的缺陷和故障。② 由于在预防性试验的周期内也可能发生事故，计划性维修存在绝缘故障漏报的可能。③ 计划性维修费时、费力，不利于电力系统的自动化。④ 从经济上看，定期的试验带来的停电，对国民经济会造成一定的影响，定期的大修也需要大量的资金。因此，计划性维修体系已逐渐无法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、计算机技术的发展，使得人们对电气设备的运行状态进行实时的在线监测成为可能，从而为状态维修提供了维修依据。作为状态维修的技术基础，电气设备在线监测技术受到了高度的重视，成为了当今电力系统研究领域的新课题。电气设备在线监测技术具有如下优点：① 在线监测能及时发现电气设备的早期缺陷，防止突发性事故的发生，提高设备运行的安全性和可靠性。② 可减少不必要的停电试验，避免传统试验对电气设备由于“过度检修”而造成的损失，延长了变压器的使用寿命。③ 在线监测可以获得离线检测无法得到的信息，为判断电气设备的运行状态提供了充分的信息。
因此，以在线监测为基础的状态维修体系代替计划维修体系已经是发展趋势。据日本有关资料报道[3]，由于变压器运行状态在线监测及故障诊断技术的应用，使每年维修费用减少 25%-50%，故障停电时间减少 75%。现有的电气设备在线监测系统，无论是集中式还是分布式系统，均需要将各传感器提供的信号通过相应的有线电缆传输至数据处理中心。目前，我国在电气设备在线监测方面所用的通信手段主要有：RS-485 总线和现场总线，如LONWORKS 总线和 CAN（Controller Area Network）总线等第二、第三代传感器网络[4]的通信手段。这些通信手段都是以有线通信的形式接入监控系统上位机。使用这种有线通信的方式存在诸多缺点[5]：① 由于电缆的限制，不能实现对发电机转子等设备状态参数的接触式监测。② 各种电气设备需要监测的参数众多，如水电机组需要在其内部安装成百上千个传感器。有资料表明，容量为 300MW 的汽轮发电机组需要的传感器数目高达950～1050[6]，尽管水电机组与汽轮发电机组在结构上有较大差别，但传感器的数量也是相当大的，大量电缆线引出困难，不但增加了布线成本，还有可能造成发电机绝缘的损坏。③ 随着时间的推移，电气设备内部的传感器不可避免地会发生老化或出现故障，这会导致监测参数的损失。④ 一般的监测系统设计完成后，增加、调整传感器比较困难，传感器配置的改变有可能需要修改系统软件源程序[6]。为克服上述缺陷，无线传感器网络将是一种极佳的选择。无线传感器网络是近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展而出现的一种新型网络，它由大量的传感器节点组成，是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，因此无线传感器网络在军事、工业、医疗、环境监测、交通管理、抢险救灾等领域有着巨大的应用价值和潜在的应用前景[7-10]。
2 无线传感器网络概述
2.1 无线传感器网络体系
结构网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，即网络的体系结构就是网络及其部件所应完成的功能的精确定义[77]。体系结构对于网络协议和各功能模块的设计起着至关重要的作用，并且在很大程度上决定网络的规划和整体性能。由于无线传感器网络主要是面向低速、低功耗的无线应用，其单个节点是典型的资源受限的嵌入式系统，且需要有对环境的感知、数据发送、命令接收执行以及其它一些网络功能和数据处理能力，传统的体系结构和现存的大量协议在无线传感器网络中不再适用。无线传感器网络的体系结构和设计方法应充分考虑网络的特性和特殊的应用环境。
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（sensor node）、汇聚节点（sink node）和任务管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点采集的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，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对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
3 面向电气设备的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 面向电气设备的无线传感器网络节................ 29
3.2 现有无线传感器网络节点简介................ 29-32
3.3 节点硬件设计 ................32-39
3.3.1 结构设计 ................32-34
3.3.2 节点无线网络运行模块设计 ................34-39
3.4 小结 ................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 总体架构和特点................ 40-41
4.1.2 nesC 编程语言 ................41-42
4.2 节点的 TinyOS 驱动设计................ 42-46
4.2.1 编写硬件表达层和硬件抽象层文件................ 43-44
4.2.2 ncc 编译................ 44-45
4.2.3 语法编辑脚本................ 45-46
4.2.4 调试和下载................ 46
4.3 小结................ 46-47
5 消除簇间干扰的路由与TDMA 调度协议设计................ 47-64
5.1 分簇路由协议介绍 ................47-54
5.1.1 无线传感器网络路由协议................ 47-48
5.1.2 分簇路由协议介绍................ 48-54
5.2 簇路由协议中的簇间干扰................ 54-56
5.3 消除簇间干扰的路由与TDMA 调度协议设计................ 56-61
5.3.1 网络模型................ 56
5.3.2 算法描述 ................56-59
5.3.3 协议实现 ................59-61
5.4 协议连接与测试................ 61-63
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迈进，各种测控系统也不断改进为无线系统。本文正是在这种大趋势下，设计了面向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器网络系统。其主要工作如下：
① 作者在收集、查阅国内外与无线传感器网络和电气设备在线监测有关的文献资料的基础上，总结了无线传感器网络的体系结构、特点、关键技术，并对无线传感器网络的应用进行了分类，对其在电气设备监测中的应用进行了初步分析。
② 总结无线传感器网络节点设计的原则，并提出面向电气设备在线监测的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，分析现有的节点硬件组成和最新的节点相关技术，以及所存在的不足。在此基础上，提出节点硬件具体实现方案。
③ 熟悉 TinyOS 结构体系及其编程语言 nesC 使用方法。了解已有硬件平台的TinyOS 移植方法。根据本文节点的硬件资源，编写 TinyOS 移植所须的硬件抽象层和硬件表达层组件，从而成功将 TinyOS 嵌入本文的硬件中。
④ 了解搭建节点运行协议栈所需的各种协议，选择较适合本文使用的协议，用 nesC 语言实现。设计一个适合于电气设备在线监测的跨层路由协议。该协议以适用于大规模无线传感器网络系统的簇路由协议为基础，跨越网络层和 MAC 层。针对现在簇路由协议存在的簇间干扰，分析消除簇间干扰的方法，提出了一种消除簇间干扰的方法，并用 nesC 语言实现。在此基础上连接网络组织所必须的其它协议，完成了一个比较完整的无线传感器网络协议栈，并通过此协议栈验证了本文所设计的跨层路由协议。实验表明：该协议确实可以一定程度上消除基于簇路由的无线传感器网络的簇间干扰问题，从而使各簇之间在同一个区域内可以协调传输数据。
参考文献
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