传感器网络的特点 无线传感器网络简单介绍

无线传感器网络简单介绍

（本文为简单介绍，内容来源自网络）

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）是一种创新的传感器网络架构，具有广泛的应用前景和潜力。与传统的有限传感器网络不同，无线传感器网络克服了节点数量有限和覆盖范围受限的问题，通过自主组网、自主修复和灵活节点部署等特性，实现了对更广阔区域内的数据采集和监测。

无线传感器网络的核心思想是将传感器节点视为无限数量的资源，并通过智能化的机制进行管理和利用。传感器节点可以自由地移动、重新部署或添加到网络中，形成一个动态的、无边界的网络拓扑结构。这种灵活性使得网络能够适应环境的变化、应对节点失效或故障，并自动进行网络优化和修复。

无线传感器网络的高效运行有赖于各种智能化协议的支持。例如，ZigBee、6LoWPAN等自组网协议使节点能够自动建立网络；LEACH、PEGASIS等数据路由协议实现了高效的点对点通信；SPIN、Directed Diffusion等数据聚合协议通过数据处理和压缩，减少了网络通信量。此外，ACE、ANTP等网络管理类协议也发挥着重要作用，协调网络资源分配，延长整个网络的生命周期。正是这些协议的协同运作，使得无线传感器网络能够实现大规模、高效的无线数据交换和网络自我管理。随着协议的不断优化，无线传感器网络的性能也将不断提升，应用领域更加广泛。

无线传感器网络在多个领域都有广泛的应用。在环境监测方面，通过部署大量的传感器节点，可以实时监测和记录大气质量、水质情况、土壤湿度等环境参数，为环境保护和资源管理提供重要依据。在智能交通领域，无线传感器网络可以实现对交通流量、车辆位置和行驶速度等的实时监测和管理，为交通优化、拥堵疏导和智能导航提供数据支持。

此外，无线传感器网络还可以应用于农业、健康监测、安全监控等领域。在农业中，通过精确监控土壤湿度、光照强度等因素，可以实现农作物的精准灌溉和施肥，提高农业生产效率。在健康监测方面，无线传感器网络可以用于远程监测患者的生理参数、运动状态等，为医疗健康管理提供支持。在安全监控领域，无线传感器网络可以用于建筑物、城市区域或边境的监控，实现对异常事件的及时报警和处理。

然而，无线传感器网络也面临着一些挑战和问题，例如能源管理、网络安全和数据隐私等方面的考虑。为了保证网络的持久运行，需要设计节能的传感器节点和能源采集技术。同时，为了防止数据泄露和网络攻击，必须加强网络的安全性和隐私保护机制。

我这里分享一个包含150G学习资料的免费资料包,里面包含的学习内容、面试经验和项目实例都是比较新的和全面的「链接」

许昌开普检测院：面向输变电场景的无线传感网通信性能测试方法

无线传感网在输变电设备状态监测领域的应用，能够有效提升电网运行效率，实现更高的经济价值和社会效益。许昌开普检测研究院股份有限公司、北京理工大学珠海学院的黄震、敬沅坤、闫克、任春梅在2024年第3期《电气技术》上撰文，通过分析无线传感网在输变电场景下的通信特征，提出通信性能测试方法，构建闭环测试平台，对无线传感网的接入容量、组网性能等关键指标开展测试验证。结果表明，所提测试方法能有效评估无线传感网的终端接入、数据传输能力，可为无线传感网在电力系统的推广提供技术支撑。

电力系统是由发电、输电、变电、配电、用电设备及相应的辅助系统组成的电能生产、输送、分配、使用的统一整体。输变电设备是电力系统的核心组成部分，其运行状态直接关系到电力系统的稳定性和可靠性，对输变电设备进行状态监测和故障预警是电力系统的重要需求。

传统的输变电设备监测依靠人工巡检设备状态，这种方式存在人力资源浪费、监测不及时等问题。随着电力系统的规模不断扩大，其结构也变得越来越复杂，传统的人工巡检方式已经无法满足实际需求。无线传感网是一种分布式传感网络，通过传感器采集监测区域或对象的信息，并以无线通信的方式将监测信息发送到网关，以实现对目标区域或对象的实时监测，具有灵活性高、自组织性强等特点。

无线传感网在输变电设备状态监测领域的融合应用，能够降低人工巡检频率，减少运维成本，实现对输变电设备的智能化管理和优化调度，促进设备状态管控力和运检管理穿透力的有效提升。

目前，国家电网有限公司在积极推进无线传感网的适用性验证，在包括江苏、浙江、安徽、四川等多个省份开展试点建设。为此，本文通过分析无线传感网在输变电场景下的通信特征，提出通信性能测试方法，构建测试平台，实现对无线传感网的接入容量、组网性能的通信性能测试，以期为输变电场景下的无线传感网建设提供技术支撑。

1.1 无线传感网络架构

无线传感网位于输变电设备物联网的感知层，分为传感器层和数据汇聚层。无线传感网络架构如图1所示。

图1 无线传感网络架构

传感器层由各种类型的无线传感器组成，用于采集不同类型的状态参量，并通过无线传感网络将数据上传至汇聚节点。无线传感器分为微功率无线传感器（mW级）、低功耗无线传感器（mW级）。典型的无线传感器有输电场景下的导线温度传感器、风偏传感器、杆塔倾斜传感器和变电场景下的温湿度传感器、六氟化硫微水监测传感器、特高频传感器等。

数据汇聚层由接入节点、汇聚节点等网络节点设备组成，用于构成全覆盖的传感数据传输网络，为海量无线传感器提供通信接入。接入节点是无线传感网的通信主设备，负责无线传感网与电力专用网络的通信接口，主要用于对无线传感网内所有节点设备和无线传感器的管理和数据采集，具备网络管理、自组网和无线传感器接入等功能。汇聚节点是无线传感网的通信中继设备，主要用于接收、汇聚一定范围内的无线传感器上传的数据，具备自组网和无线传感器接入等功能。

1.2 输电场景通信特征分析

输电线路由输电导线、输电杆塔构成，其空间位置分布类似带状。线路送出距离和输电杆塔档距在不同的电压等级下有所不同，以220kV输电线路为例，单条线路送出距离为50～150km，输电杆塔档距通常为200～500m。无线传感器大部分布置在输电杆塔周边，数量约上百个，少部分布置在输电线路中央，通常为数十个。

由于线路中央无法布置汇聚节点，仅能将汇聚节点部署在输电杆塔上。在网络拓扑方面，由无线传感器和汇聚节点构成的设备网络为星形拓扑，由汇聚节点和接入节点构成的设备网络为链状拓扑。输电场景下无线传感网组网方式如图2所示。

图2 输电场景下无线传感网组网方式

输电线路及其辅助设备在运行过程中，面临的主要运行风险有大风雨雪天气、电力线过载、设备老化等，因此输电场景下的无线传感器需要对风偏、导线温度、绝缘子泄漏电流等状态参量进行监视，其数据发送间隔通常为min级，传输数据长度较短。输电场景下典型无线传感器数据发送间隔、数据长度见表1。

表1 输电场景下典型无线传感器发送间隔、数据长度

1.3 变电场景通信特征分析

变电站主要包含变压器、开关设备、出线设备、控制装置等设备，设备的空间位置分布较为集中，通常呈块状。在无线传感器部署位置方面，电力设备监测用无线传感器受限于被监测设备位置，通常安装在被监测设备本体或周边，部署位置相对集中，环境监测用无线传感器则均匀分布在整个变电站区域内。

在无线传感器部署数量方面，小型变电站部署传感器数量约为1000个，大型变电站部署传感器数量约为4000个。由于变电场景下的无线传感器部署在单个变电站内，数据传输距离有限，其对单跳数据传输距离及通信跳数要求不高。在网络拓扑方面，变电站内无线传感器与汇聚节点、接入节点构成的设备网络为树状拓扑。变电场景下无线传感网组网方式如图3所示。

图3 变电场景下无线传感网组网方式

变电站内运行设备种类多、结构复杂，面临的主要运行风险包含电气火灾、触电等电气安全风险和设备形变、老化等设备故障风险，因此变电场景下的无线传感器需要对环境温湿度、烟感、形变等状态参量进行监视，其数据发送间隔为min级或h级，传输数据长度跨度较大，通常为几十字节到上万字节。变电场景下典型无线传感器数据发送间隔、数据长度见表2。

表2 变电场景下典型无线传感器发送间隔、数据长度

2 无线传感网通信性能测试方法

结合输变电场景下无线传感网终端接入量大、中继设备跳数多的通信特征，需要对无线传感网的接入容量、组网性能进行测试验证。在测试环境方面，由于无线传感网对周边射频环境较为敏感，因此要求测试环境的射频环境噪声不大于-90dBmW，环境中无其他无线感知设备干扰，且无线传感器与节点设备之间的发射信号强度不小于-20dBmW。在测试参数选取方面，应考虑输变电场景下的组网方式、接入数量、多跳级数、数据传输间隔及数据帧长。

2.1 接入容量测试

接入容量测试模拟大量无线传感器同时接入无线传感网，并进行传感数据传输，用以评估无线传感网在单位时间内的最大终端接入数量。测试方法及评价标准如下：

1）输电场景下，将接入节点、汇聚节点组成链状拓扑，按照节点设备支持最大多跳级数，模拟每级汇聚节点接入100个微功率无线传感器或20个低功耗无线传感器。设置微功率无线传感器发送数据帧长24B、发送周期5min，低功耗无线传感器发送数据帧长14450B、发送周期2h，运行240min以上，统计被测接入节点收到数据的传感器数量和丢包率。

丢包率不应大于1%。模拟200个微功率无线传感器或50个低功耗无线传感器采用单频点接入被测汇聚节点，无线传感器数据帧长、发送周期保持不变，运行240min以上，统计被测汇聚节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。

2）变电场景下，将接入节点、汇聚节点组成单跳树状拓扑，模拟3000个微功率无线传感器或1000个低功耗无线传感器，采用直连或通过汇聚节点中继的方式接入被测接入节点。无线传感器数据帧长、发送周期与输电场景下保持一致，运行240min以上，统计被测接入节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。

模拟1000个微功率无线传感器或500个低功耗无线传感器采用单频点接入被测汇聚节点，无线传感器数据帧长、发送周期保持不变，运行240min以上，统计被测汇聚节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。

2.2 组网性能测试

组网性能测试模拟多节点设备组成树状拓扑或链状拓扑，并进行传感数据传输，用以评估无线传感网的拓扑稳定性和最大组网节点数量。测试方法及评价标准如下：

1）输电场景下，将接入节点、汇聚节点组成链状拓扑，多跳级数10级，模拟1000个微功率无线传感器或200个低功耗无线传感器，通过汇聚节点中继的方式接入被测接入节点。设置微功率无线传感器发送数据帧长24B、发送周期5min，低功耗无线传感器发送数据帧长14450B、发送周期2h，运行240min以上，统计被测接入节点的丢包率。丢包率不应大于5%，且被测接入节点和汇聚节点的拓扑关系应正确。

2）变电场景下，将接入节点、汇聚节点组成树状拓扑，模拟1000个微功率无线传感器或200个低功耗无线传感器，通过汇聚节点中继的方式接入被测接入节点，汇聚节点数量不少于30个。无线传感器数据帧长、发送周期与输电场景下保持一致，运行240min以上，统计被测接入节点的丢包率。丢包率不应大于5%，且被测接入节点和汇聚节点的拓扑关系应正确。

3 无线传感网测试平台设计

无线传感网测试平台结构如图4所示，该平台包含测试主机、控制模块、接入模块、汇聚模块、传感器模块。测试主机具备测试用例编辑、测试拓扑和测试结果展示功能，是测试平台的人机接口。

控制模块具备预制测试用例管理、测试配置下装功能，是各模拟功能块的控制接口。接入模块具备数据接入、网络管理、设备控制功能，能够模拟接入节点或接入被测接入节点的北向测试接口，统计上行传感数据，是测试平台闭环验证的数据终点。

汇聚模块具备数据接入、数据中继功能，能够模拟多个汇聚节点，通过测试平台射频端口的自环，能够实现多种网络拓扑。传感器模块具备传感数据上送功能，能够模拟数千个微功率无线传感器或低功耗无线传感器，是测试平台闭环验证的数据起点。

图4 无线传感网测试平台结构

测试过程中，被测接入节点北向接入测试平台的接入模块，南向接入汇聚模块，被测汇聚节点采用直连或通过汇聚模块中继的方式接入被测接入节点，形成树状或链状拓扑。传感器模块模拟无线传感器，经被测接入节点或被测汇聚节点接入网络，并按照设定的数据帧长、发送周期发送传感数据，传感数据经由被测节点设备转发返回测试平台，接入模块完成对传感数据的丢包率统计，形成闭环验证。

4 无线传感网通信性能测试验证

使用无线传感网测试平台对某公司接入节点、汇聚节点进行接入容量、组网性能测试，测试环境如图5所示。

图5 无线传感网通信性能测试环境

测试环境包含被测接入节点和被测汇聚节点，测试平台模拟微功率无线传感器和低功耗无线传感器。被测节点设备与微功率无线传感器间的通信使用2400～2483.5MHz频段的线性调频扩频物理层配置，与低功耗无线传感器间的通信使用470～510MHz频段的线性调频扩频物理层配置，发射接收信号强度-20dBmW，接入容量测试结果见表3，组网性能测试结果见表4。

表3 接入容量测试结果

表4 组网性能测试结果

经验证，被测节点设备的丢包率在1%以下，且拓扑关系正常，接入容量、组网性能满足测试评价标准。测试平台能够完成对输变电场景下的无线传感网通信性能测试。

5 结论

本文对输变电场景下无线传感网的组网拓扑、数据传输特征进行分析，提出了无线传感网接入容量、组网性能的通信性能测试方法，建立了测试平台，对无线传感网的通信性能开展了测试验证，结果表明本文所提测试方法合理有效。本文研究对输变电场景下的无线传感网通信性能评估具有一定的意义，可为后续无线传感网在电力系统的推广建设提供有效技术支撑。

本工作成果发表在2024年第3期《电气技术》，论文标题为“面向输变电场景的无线传感网通信性能测试研究”，作者为黄震、敬沅坤、闫克、任春梅。

相关问答

无线传感器网络的定义是:由大量、静止或移动的传感器节点,以自组织和多跳的方式构成的无线网络,目的是以协作的方式感知、采集、处理和传输在网络覆盖区域内被...

传感器输出信号的特点;1,由于传感器的种类很多,输出的形式也多种多样。例如,尽管同样是温度传感器,热电偶顺温度变化输出的是不同的电压,热敏电阻顺温度变...

传感器动态特性参数主要是,传感器的灵敏度及工作原理,受外界环境或条件影响,检测的波动随之相应的参数依据。传感器动态特性参数主要是,传感器的灵敏度及工作...

1、线性度:指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比...

传感器的基本特性有以下两种:1.静态特性:线性度、灵敏度、重复性、迟滞性、稳定性、漂移、静态误差等。2.动态特性:阶跃响应:最大超调量、延滞时间、上升时...

[最佳回答]冷却液温度传感器的特点:发动机ECU接收冷却液温度传感器信号作为发动机喷油和点火的校正信号,利用冷却液温度传感器,使驾驶员能够及时发现问题并进...

..二、动态特性:动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频...

静态特征指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。性能指标测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重...

1、阶跃响应特性(最大偏离量,延滞时间,上升时间,峰值时间,响应时间);2、频率响应特性(幅频特性(传感器的动态灵敏度/增益),相频特性)。在实际工作...1、阶...

1、阶跃响应特性(最大偏离量,延滞时间,上升时间,峰值时间,响应时间);2、频率响应特性(幅频特性(传感器的动态灵敏度/增益),相频特性)。在实际工作...1、阶...