基于mesh网络的输电线路山火预警监视系统研制

林铭瀚，胡永洪，薛毓强，凌飞鸿



基于mesh网络的输电线路山火预警监视系统研制

林铭瀚1，胡永洪２，薛毓强1，凌飞鸿1

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350116；2.国网福建省电力有限公司，福建 福州350002)

近年来频发火烧山导致输电线路跳闸，对输电线路安全运行造成了很大的影响。针对输电线路长链状结构、山区公网信号覆盖不到位的情况，提出利用无线Mesh网络特性、采用嵌入式技术和长链状低功耗路由算法。根据山火特性，开发了以山火探测终端、中继器以及协调器组成的探测通信网络和基于B/S架构与GIS的专家监测软件构成的山火预警监视系统。经挂网运行数月后表明，该系统能准确探测和传输火灾信息，为输电线路山火预警提供了一种有效手段。

输电线路；山火监测；Mesh网络；L-MPRP

0 引言

随着输电线路等级的提高，做好输电线路的安全保障显得日益重要。近年来，福建电网因山火导致的输电线路跳闸事故占总跳闸事故比重逐年上升。同时，因山火致线路绝缘水平剧烈下降，重合闸成功率较低，停电时间长，严重威胁电网的稳定运行[1]。对山火提前预警，对科学调度决策有重要的意义。现如今采用较为广泛的防山火措施有视频监控系统，卫星遥感，红外成像等。以上技术均能在一定区域内捕捉火情并通过GPRS公网传输。但是不足在于输电线路多布于人烟稀少地区，公网信号强度低甚至没有信号。依赖于单技术探测火灾信息往往容易产生漏报或误报。采用航空或者航天巡护费用高昂且巡视周期间隔长，无法应对爆发性山火[2-4]。

针对以上问题，研制了基于无线mesh网络的输电线路山火预警监视系统。该系统主要特点在于结合输电线路长链状结构与无线mesh网络，突破了公网信号覆盖限制，将输电线路沿线探测到的火灾信息传送到管理部门，拓展了监测范围。此外，提出的低功耗路由算法L-MPRP用于均衡网络能量，提高网络吞吐量。终端探测设备采用多鉴探测，能极大降低误报率，提高监测可信度[4]。本套系统已挂网运行于福建电网福中I路500 kV线路沿线。

1 系统原理

无线mesh即“多跳网络”。其处理消息的方式是把信息包从一个节点传递到另一个节点，直到信息包到达目的地。每个无线Mesh网络的节点可以作为接入终端，也可具有路由和信息转发功能，具有极高的组网自由度[5]。无线mesh网络与传统的GPRS网络结合起来，就可以建立起一套覆盖范围广、高可靠性、低成本的输电电力线路基础通信系统。

图1为基于无线mesh网络的山火预警监视系统原理图。采用ZigBee模块与传感模块组成终端节点，对监测环境中的温度、烟雾等火灾特征信息进行实时采集并传至中继器，由中继器转发其他AP传输来的信息，多次转发后信息到达该子网的协调器。协调器把这些数据通过GPRS模块发送到服务器。由监控服务器负责数据存储、统计、分析后产生预警和决策指导。

图1树状Mesh网络系统原理图

为适应输电线路特殊的链状地理形势，采用树状mesh网络。因相邻的输电杆塔间距多为1~1.5 km，所以中继器采用具有3 km透传功能的增强型Em357模块。中继器双台冗余布置安装于输电杆塔上，且相邻杆塔间的中继器为视距传输。因此，在树状mesh网络中，信息既可以通过相邻节点传输也可以通过中继器进行传输，不会因为个别节点的“消亡”影响其他节点的通信，提高了系统的可靠性。

终端探测设备沿电力线两侧丛林中布设，布设间距为30~50 m左右，并注意使终端探测设备的引出天线相互之间尽量满足视距传输要求，并置于中继器覆盖范围内，这样终端探测设备之间既可相互跳转传输信息，而且也能与中继器通信。

2 基于L-MPRP的长链树状Mesh网络路由算法优化

1) 洪泛阶段：在终端设备布设于网络当中时，由协调器发起连接请求。在由附近中继器接收到信息后，将自己的ID添加为源地址，并转发路径包。所有终端以第一次接收到的广播中的源地址为路由表中的上一跳地址，并转发广播包；若非第一次接收到广播包，则判断上一跳是否为中继器的广播包，若是则更新路由表，为优先转发路线；若不是则将其添加进路由表，准备多条传输路径。

2) 数据发送阶段：当组网完成之后，网络中的任何一个终端设备就可以通过路由表向协调器发送数据包。

3) 路由修复阶段：因终端设备多布设于森林地区，由于树障、能量消耗等原因可能导致信号不稳、设备失联的情况出现。为此，提出使用中间终端做路由修复的修复机制，即由失效终端的下一跳终端根据路由表顺序发出路径出错包，在其他的终端接收到接收路径出错广播包时，若自身可以做修复点，则在发送路径应答包时，同时更新路由表。

为了验证无线mesh网络中L-MPRP路由算法的可行性以及有效性。分别从节点剩余能量、网络端对端的平均时延、网络吞吐量三个方面与广泛使用的AODV协议进行对比，采用NS-2仿真平台，用于仿真对比的网络模型为长链状[6-11]。

图2给出了节点剩余能量的曲线图。仿真结果表明L-MPRP路由协议相比较与AODV协议更能节省节点能量，降低路由开销。对于仅用电池供电的无线mesh节点有很大的优势。此外，L-MPRP协议节点剩余能量相对平均，避免了“热点”问题产生的网络不均等导致的网络消亡。

图2节点剩余能量对比图

图3给出了端到端平均时延随网络负载的变化关系。可以看出在网络负载不大的时候，端到端时延差距不大。不过在网络负载达到100 Kps以上时，L-MPRP协议因其多路径特性相较AODV协议的时延有明显下降。这在发生集群报警时，能降低传输时延，报警也更加迅速。

图3端到端平均时延对比图

图4给出了mesh网络吞吐量随仿真进程的变化关系。随着仿真进行，L-MPRP协议与AODV协议最后均达到饱和。L-MPRP协议主要利用不休眠的双台中继器进行传输，在路径跳转过程中总能选择最短路径到达协调器。因此，L-MPRP协议较AODV协议能较好实现网络的拥塞控制与负载平衡，在网络吞吐量上更具优势。

图4网络吞吐量对比图

3 设备的软硬件设计

3.1硬件设计

协调器是mesh网络与外部网进行通信的关键设备，它是数据传输的核心部分。硬件上MCU采用STM32系列低功耗芯片，GPRS模块选用移远公司的M72模块。由铅酸电池与太阳能混合供电。

中继器的主要任务是维持系统的数据转发，它是整个系统的传输部分。硬件设计方面与探测终端基本相同，不同在于其Zigbee模块采用增强型的EM357模块。供电方式由锂电池与太阳能混合供电。

终端节点探测设备的硬件设计框图如图5所示。探测终端是进行火情探测与数据转发的重要设备，它是整个系统的前端部分。根据山火的行为特性，可以从温度、颗粒检测两个方面进行探测[12]。硬件设计方面，采用TI公司的msp430系列16位超低功耗单片机及其他功能模块[13]，外接Ember公司的EM357无线收发模块，传感器采用接触式温度传感器DS18B20、非接触式红外温度传感器TS105-4，两种温度传感器均可直接探测环境温度。采用红外光束来探测烟雾信息，其工作原理是红外二极管定期发送脉冲，红外接收器则不断监测是否有接收到脉冲信号，用来确定检测腔内是否有烟雾的存在。电路整体供电由高能锂电池供电。

图5终端探测设备硬件设计框图

3.2 软件设计

软件设计方面主要考虑设备的低功耗设计。其中，终端探测设备的CPU以间歇性进入LPM3休眠方式，只开启ACLK用来接收定时器或者外部通信中断[14]。中继器以及协调器是信息传输的关键设备，因有太阳能供电而不进入休眠状态。特别要注意的是，协调器是mesh网络的中心节点，若其进入休眠状态，则终端节点会不断扫描信道以加入网络，增加了节点能耗，加速节点“消亡”。因此协调器的能量供给采用高储能的铅酸电池与太阳能板混合供电以维持mesh网络。

因终端设备采用抛弃型布设，为防止尖峰脉冲干扰导致程序“跑飞”现象[15]，故使用msp430自带的看门狗模块，保障终端设备的正常运行。

Mesh模块的工作机制设定为间歇性地进入休眠状态与载波侦听状态，如图6所示，实现能量节约以及报警的快速反应。

图6 Mesh模块状态图

4 信号处理与分析

当发生山火时，由沿电力线布置的终端探测设备探测到烟雾信号或温度上升。其中DS18B20温度信号是数字信号，可直接采集得到，TS105-4输出为模拟电压信号，可由msp430内部ADC转换得到实际温度。如图7所示，烟雾报警信号则通过检测烟雾检测腔内的红外光束强度得到，当烟雾进入检测腔后，红外光束信号逐渐减弱则触发后级报警器。为节省终端设备能量消耗，仅在采样时控制使检测电路进入工作状态。红外接收元件采用硅光敏二极管，运算放大器采用TLV2780。TLV2780主要功能是对光脉冲信号进行线性放大，使其能由msp430内的ADC转换。

图7烟雾检测原理图

考虑到探测器全天候的实际工作条件，在实际应用中可根据传感器提供的环境信息或多种信息综合，及时、准确地提供火情信息。当终端探测设备探测到温度数据超过设定阈值时，或检测到烟雾产生，则发出火灾预警信号。

5 火灾信息处理平台应用

如图8所示为基于JAVA语言开发的B/S架构的上位机平台。其中线条代表线路，标点为杆塔坐标。通过结合GIS地图与实时温度数据的标注，可以直观准确监测现场环境情况。当发生火情时，报警位置地图标注闪动，发出警报音并立即发送短信。此外，还有数据库查询、日志中心、管理中心等多种应用服务，为火灾数据进行有效管理。

图8系统界面图

6 小结

利用无线mesh网络建立的输电线路山火预警监视系统，实现了输电线路周围山火的预警与可靠监视，并在系统的健壮性与灵活性上更具优势。基于L-MPRP路由算法的长链mesh网络，在仿真验证下能较好地延长终端设备的生命周期，修复失效路由链路。根据山火的行为特性，选取多种传感量，降低了误报概率。在软件设计中，考虑多种设备耗能情况，并引入休眠机制，极大延长终端的续航能力。

在工程应用中，采用低成本的抛弃型终端探测设备更能满足实际布点密度需要，同时减少后期维护的工作量。所研制的输电线路山火预警监视系统已挂网运行于福建电网福中I路500 kV线路26-35杆塔沿线，该系统运行状况良好，能准确探测和传输火灾信息，为保障输电线路安全运行提供了一种有效的山火预警辅助技术手段。

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(编辑 葛艳娜)

Research and application of forest fire early-warning and monitor system based on wireless mesh network for transmission line

LIN Minghan1, HU Yonghong2, XUE Yuqiang1, LING Feihong1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China; 2. Fujian Electric Power Company Limited, Fuzhou 350002, China)

The forest fire resulting in transmission lines trip has taken place in recent years, and it has a great impact on the safe operation of transmission lines. According to the long chain structure of transmission line and the situation that network signal couldn’t cover the mountain area, using the characteristics of wireless mesh networks, the embedded technology and the long chain structure of algorithm for low power, a fire early warning and monitor system is proposed based on the feature of forest fire. The communication network includes the terminal, router, centralized device. Besides, experts monitoring software is designed based on B/S architecture and GIS map. After the several months’ operation, application result indicates the developed system can detect the fire with high accuracy and transmit the fire message, providing an effective method for the transmission line fires warning.

transmission line;forest fire monitor; Mesh networks; L-MPRP

TM726

1674-3415(2016)01-0134-05

2015-03-24；

2015-05-19

林铭瀚(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为输电线路在线监测；E-mail: 234831783@qq.com

胡永洪(1974-)，男，高级工程师，长期从事输电线路防灾减灾研究及应用工作；

薛毓强(1962-)，男，副教授，硕士研究生导师，研究方向为电磁场、输电线路状态监测。

国网福建省电力有限公司科技项目(521309135004)