一种支持空中唤醒的综合智能防误实时校验方法及系统与流程
1.本发明涉及输变电设备维护安全技术领域，尤其是一种支持空中唤醒的综合智能防误实时校验方法及系统。
背景技术：
2.无线网络应用中，通常要求节点尽可能休眠，最大限度降低功耗，但又希望节点能尽可能及时地收发无线数据，这似乎是个不可调和的矛盾。采用空中唤醒(无线唤醒)，节点即使处于休眠，当需要节点工作时可以直接通过无线手段唤醒该节点。当模块定义为发射方时，发射前会自动增加一定时间的前导码，无线节点进行周期性地唤醒，监听下网络。一旦捕捉到前导码就进入正常的接收流程，若没有就立即休眠，等待下一次唤醒。为了让数据传输时，无线节点不会错过有效数据，机制上要保证前导码的持续时间要略长于节点的休眠时间，如图1所示。
3.综合智能防误系统主要保证倒闸工作(线路在输电状态、断电检修、备用状态切换工作)及设备检修的安全，主要监测接地线，压板，安全锁具及继电器状态，按照预设的逻辑校验是否处于正确的状态。以接地线为例。临时接地线是变电站维护检修操作中必不可少的安全措施，使用中若出现误挂、误拆等误操作将严重危及现场工作人员人身安全及电力设备持续稳定工作。在实际挂接作业中需根据工作现场具体情况正确判定所需接地线的型号、电压等级以及挂接地点，这对管理人员与作业人员提出了很高的要求，在现场挂接前需要多人、反复确认，极大影响现场作业效率，即便如此仍然难以避免挂接事故。为了解决这个痛点，防误操作智能接地线应运而生。
4.目前的智能接地线大多仅在挂接状态跳变的时候上传自身状态，部分增加了周期性上传状态也因低功耗考虑，上传周期一般大于10分钟，实时性不强。防误状态只支持被动上传，不支持主动查询。此外，关键操作节点进行防误联合校验时，无线设备部分只能使用上一次上传的历史数据，校验实时性差。
技术实现要素：
5.本发明的首要目的在于提供一种在兼容传感器周期上传的基础上引入服务器端主动查询的方法，应用方面更加灵活，保证在防误关键节点校验数据的实时性的支持空中唤醒的综合智能防误实时校验方法。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种支持空中唤醒的综合智能防误实时校验方法，该方法包括下列顺序的步骤：
7.(1)无线接入节点与无线汇聚节点、无线汇聚节点与无线传感器基于时分多址技术进行数据交互，在需要唤醒特定的一组无线传感器时，采用时分复用，将一个通信周期下行信道的控制与应答部分复用为发送唤醒序列；所述无线传感器包括智能接地线、无线控制器；
8.(2)无线传感器从休眠状态短周期地自动唤醒，并在唤醒之后开启较小的窗口监
听信号，若监听到信号为唤醒序列则进行数据上传并等待应答；(3)除监听空中唤醒序列外，无线传感器保留周期自唤醒上传模式，周期性上传数据。
9.所述步骤(1)具体包括以下步骤：
10.(1a)未发起空中唤醒时，无线接入节点与无线汇聚节点、无线汇聚节点与无线传感器通过时分多址来实现无线通信，一个通信周期分为下行信道与上行信道，下行信道，即由无线接入节点和无线汇聚节点发送给无线传感器，用于时钟同步、下发控制与调度信息、应答请求；上行信道，即由无线传感器发送给无线接入节点和无线汇聚节点，用于资源请求、数据上传；
11.(1b)当需要进行唤醒时，在一个通信周期下行信道的控制与应答部分连续发送唤醒序列，序列由大量有效载荷为2个字节的小数据包组成，在时钟同步包发送完毕后发送，直到下行信道结束；上行信道不变，避免与无线传感器产生信号冲突；
12.(1c)前导序列中2个字节的片段定义为无线传感器的id或者无线传感器组id，无线传感器在空中唤醒监听状态检测到的片段包含自身id时被唤醒，执行数据上传。
13.所述步骤(2)具体包括以下步骤：
14.(2a)无线传感器从休眠状态短周期地唤醒无线模块，并在唤醒之后开启较小的窗口监听信号，窗口大小设为2ms；唤醒周期为一个节点通信周期，窗口位置为上次工作模式接收时钟同步帧后延半个下行信道通信周期；
15.(2b)唤醒后进行信号监听，判断是否收到自身频段的信号，若收到信号则等待将一个数据包接收完，判断是否是唤醒数据包；若没有收到该频段信号则继续休眠；
16.(2c)解析收到的数据包，若为唤醒数据包则等待下个周期的数据通信；若不为唤醒数据包，则进入休眠；
17.(2d)检测到唤醒包后，等待时钟广播帧，进行时钟同步；监测下行信道，等待节点调度指令；当接收到调度指令后，在指定的时隙上传数据；接收到数据反馈时进入休眠。
18.所述步骤(3)具体是指：根据无线传感器mcu中的定时器，周期性的唤醒进入工作模式，工作模式下，与节点进行时钟同步，请求传递数据的资源，上传数据，接收应答，结束后进入休眠。
19.本发明的另一目的在于提供一种支持空中唤醒的综合智能防误实时校验方法的系统，包括：
20.无线接入节点，接收无线汇聚节点的数据，通过有线网络接入平台层网内，无线接入节点内置边缘代理模块，上行与平台层服务器进行数据交互，下行做消息应答和预分配时隙管理；
21.多个无线汇聚节点，用于接收无线传感器、电脑钥匙的数据包，并按优先级将数据包转发到无线接入节点；
22.智能接地线，采用装配有无线模组的接地检测传感器，实时监测接地状态，周期上传到无线汇聚节点，在接地状态发生跳变时立即上传，接收空中唤醒查询指令后上传状态；
23.电脑钥匙，采用手持移动终端，与无线汇聚节点进行数据交互，进行安全校验后完成对防误锁具的开锁与闭锁；
24.无线控制器，其内设有无线模块和用于监测控制开关通断的传感器，传感器监测当前控制开关的通断状态，接收无线汇聚节点转发的控制命令，上传当前控制开关的控制
状态，接收指令进行控制开关的闭合与断开；
25.平台层服务器，用于接收无线接入节点与无线汇聚节点转发的电脑钥匙、智能接地线、无线控制器的数据，进行安全校验，将校验结果发送给电脑钥匙；
26.智能接地线、电脑钥匙、无线控制器均与无线汇聚节点进行无线通信数据交互，多个无线汇聚节点连接到无线接入节点完成数据转发；无线接入节点经过安全隔离网关与电网内网平台层服务器连接；智能接地线与无线控制器支持无线接入节点和无线汇聚节点发起的空中唤醒，除周期性自唤醒上传数据，能够被无线接入节点和无线汇聚节点唤醒查询。
27.由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明引入空中唤醒技术支持实时查询提高了防误校验的实时性，从而提升安全性；第二，本发明采用的空中唤醒技术可以大量降低查询模式的功耗保证长期运行。
附图说明
28.图1是通用空中唤醒的原理图；
29.图2是综合智能防误系统网络拓扑图；
30.图3是无线传感器周期性上传数据时域资源图；
31.图4是空中唤醒上传数据时域资源图；
32.图5是无线节点时域资源模型图；
33.图6是无线传感器上传数据时隙分配过程图。
具体实施方式
34.如图2所示，一种支持空中唤醒的综合智能防误实时校验方法，该方法包括下列顺序的步骤：
35.(1)无线接入节点5与无线汇聚节点4、无线汇聚节点4与无线传感器基于时分多址技术进行数据交互，在需要唤醒特定的一组无线传感器时，采用时分复用，将一个通信周期下行信道的控制与应答部分复用为发送唤醒序列；所述无线传感器包括智能接地线2、无线控制器3；
36.(2)无线传感器从休眠状态短周期地自动唤醒，并在唤醒之后开启较小的窗口监听信号，若监听到信号为唤醒序列则进行数据上传并等待应答；(3)除监听空中唤醒序列外，无线传感器保留周期自唤醒上传模式，周期性上传数据。
37.所述步骤(1)具体包括以下步骤：
38.(1a)未发起空中唤醒时，无线接入节点5与无线汇聚节点4、无线汇聚节点4与无线传感器通过时分多址来实现无线通信，一个通信周期分为下行信道与上行信道，下行信道，即由无线接入节点5和无线汇聚节点4发送给无线传感器，用于时钟同步、下发控制与调度信息、应答请求；上行信道，即由无线传感器发送给无线接入节点5和无线汇聚节点4，用于资源请求、数据上传；
39.(1b)当需要进行唤醒时，在一个通信周期下行信道的控制与应答部分连续发送唤醒序列，序列由大量有效载荷为2个字节的小数据包组成，在时钟同步包发送完毕后发送，直到下行信道结束；上行信道不变，避免与无线传感器产生信号冲突；
40.(1c)前导序列中2个字节的片段定义为无线传感器的id或者无线传感器组id，无
线传感器在空中唤醒监听状态检测到的片段包含自身id时被唤醒，执行数据上传。
41.所述步骤(2)具体包括以下步骤：
42.(2a)无线传感器从休眠状态短周期地唤醒无线模块，并在唤醒之后开启较小的窗口监听信号，窗口大小设为2ms；唤醒周期为一个节点通信周期，窗口位置为上次工作模式接收时钟同步帧后延半个下行信道通信周期；
43.(2b)唤醒后进行信号监听，判断是否收到自身频段的信号，若收到信号则等待将一个数据包接收完，判断是否是唤醒数据包；若没有收到该频段信号则继续休眠；
44.(2c)解析收到的数据包，若为唤醒数据包则等待下个周期的数据通信；若不为唤醒数据包，则进入休眠；
45.(2d)检测到唤醒包后，等待时钟广播帧，进行时钟同步；监测下行信道，等待节点调度指令；当接收到调度指令后，在指定的时隙上传数据；接收到数据反馈时进入休眠。
46.所述步骤(3)具体是指：根据无线传感器mcu中的定时器，周期性的唤醒进入工作模式，工作模式下，与节点进行时钟同步，请求传递数据的资源，上传数据，接收应答，结束后进入休眠。
47.如图2所示，本系统包括：
48.无线接入节点5，接收无线汇聚节点4的数据，通过有线网络接入平台层网内，无线接入节点5内置边缘代理模块，上行与平台层服务器7进行数据交互，下行做消息应答和预分配时隙管理；
49.多个无线汇聚节点4，用于接收无线传感器、电脑钥匙1的数据包，并按优先级将数据包转发到无线接入节点5；
50.智能接地线2，采用装配有无线模组的接地检测传感器，实时监测接地状态，周期上传到无线汇聚节点4，在接地状态发生跳变时立即上传，接收空中唤醒查询指令后上传状态；
51.电脑钥匙1，采用手持移动终端，与无线汇聚节点4进行数据交互，进行安全校验后完成对防误锁具的开锁与闭锁；
52.无线控制器3，其内设有无线模块和用于监测控制开关通断的传感器，传感器监测当前控制开关的通断状态，接收无线汇聚节点4转发的控制命令，上传当前控制开关的控制状态，接收指令进行控制开关的闭合与断开；
53.平台层服务器7，用于接收无线接入节点5与无线汇聚节点4转发的电脑钥匙1、智能接地线2、无线控制器3的数据，进行安全校验，将校验结果发送给电脑钥匙1；
54.智能接地线2、电脑钥匙1、无线控制器3均与无线汇聚节点4进行无线通信数据交互，多个无线汇聚节点4连接到无线接入节点5完成数据转发；无线接入节点5经过安全隔离网关6与电网内网平台层服务器7连接；智能接地线2与无线控制器3支持无线接入节点5和无线汇聚节点4发起的空中唤醒，除周期性自唤醒上传数据，能够被无线接入节点5和无线汇聚节点4唤醒查询。
55.以下结合图2至6对本发明作进一步的说明。
56.智能接地线2、无线控制器3、电脑钥匙1通过无限汇聚节点与平台层服务器7交互，智能接地线2与无线控制器3支持空中唤醒技术，除周期性自唤醒上传数据，也可被无线接入节点5和无线汇聚节点4唤醒查询。
57.无线接入节点5和无线汇聚节点4支持空中唤醒功能，在接收平台层服务器7查询指令时，从时域上复用空中唤醒调度，唤醒对应无线传感器查询状态。
58.在倒闸工作时，挂、拆接地线前，无线接入节点5和无线汇聚节点4通过空中唤醒查询无线传感器，校验当前链路状态，确认操作票否执行正确。
59.操作票完成后，再次唤醒无线传感器、接地线、压板等，确认操作是否正确完成。
60.每天、每次进场施工，在解锁防误安全锁时，平台层服务器7通过无线接入节点5和无线汇聚节点4发起空中唤醒，实时核实当前设备的安全状态。
61.无线接入节点5和无线汇聚节点4通过时分多址来实现与多个无线传感器通信，一个通信周期分为下行信道与上行信道。下行信道(无线接入节点5和无线汇聚节点4发送给无线传感器)用于时钟同步、下发控制与调度信息、应答请求；上行信道(无线传感器发送给无线接入节点5和无线汇聚节点4)用于资源请求、数据上传。无线传感器保留周期自唤醒上传模式，即根据自身定时器，周期性的进入工作模式，工作模式下，与节点进行时钟同步，请求传递数据的资源，进行数据同步，接收应答，结束后进入休眠。
62.无线接入节点5和无线汇聚节点4采用时分复用，在需要唤醒特定的一组无线传感器时，将一个通信周期下行信道复用为发送唤醒前导序列。前导序列由大量有效载荷为2个字节(唤醒分组id)的小数据包组成，在时钟同步包发送完毕后发送，直到下行信道结束。说明：上行信道不变，避免与无线传感器产生信号冲突。
63.空中唤醒模式下，无线模块从休眠状态短周期地自动唤醒，并在唤醒之后开启极小的窗口监听信号，窗口大小可设为2ms。监听周期为一个节点通信周期，窗口位置为上次工作模式接收时钟同步帧后延半个下行信道通信周期。如图3所示，图例的5种矩形部分表示开启的5种窗口。
64.在窗口持续时间内未监听到前导信号，关闭窗口继续休眠；当监听到有信号时，等待一个完整数据包接收完成，检查数据包有效载荷，与预设两个字节信息作比较。
65.当未监听到预设信息时继续进入休眠状态。当监听到预设唤醒片段时，设备保持工作状态，开始监听无线汇聚节点4时钟信息。在1个完整的通信周期时长内，未收到时钟同步帧，无线传感器认为被噪音意外唤醒，继续进入空中唤醒监听状态。收到时钟同步帧后等待下行调度指令，在指令指定的时间点上传自身数据，如图4所示。在一定周期(可配置)后，未收到自身的时隙调度指令则重新进入空中唤醒监听状态
66.前导序列中2个字节的片段定义为无线传感器的id或者传感器组id，无线传感器在空中唤醒监听状态检测到的片段包含自身id时被唤醒，执行数据上传。
67.如果接收方不需要周期上传数据不做时钟校准，只等待空中唤醒查询，则监听周期需小于前导序列长度。
68.保留时钟同步帧与上行数据帧，将下行数据帧临时复用为唤醒前导码。上行信道不变，不会产生信号冲突。
69.接收方保留周期自动唤醒上传数据，每次唤醒后进行进行时钟校准，然后休眠时在最后一次时钟帧的半下行信道通信周期位置开小窗口监听前导码，窗口监听周期为一个通信周期。当接收到唤醒信号时，进入工作模式。
70.如果接收方不需要周期自动唤醒，则空中唤醒监听窗口的间隔周期需小于一个下行信道周期。
71.本发明在兼容传感器周期上传的基础上引入服务器端主动查询的方法，应用方面更加灵活。引入主动唤醒技术的防误系统，可以保证在防误关键节点校验数据的实时性，相应的防误各终端模块上传数据的频率可以降低。
72.传感器无线网络采用时分多址技术，无线节点时域通信资源分配6种信道如表1所示。
73.表1信道类型定义
74.1.tab.1 definition for channel type
[0075][0076]
上述6种信道映射到通信时域资源如图5所示，一个时域周期通信帧分为下行帧(dl)与上行帧(ul)，信道顺序首先为下行帧内的4个信道：广播信道、控制信道、多播信道、下行共享信道，然后为上行帧内2个信道：上行共享信道、随机竞争信道。
[0077]
无线传感器采用竞争时隙的方式获取信道资源并发送上行数据，数据上传过程需经过三次交互，如图6所示。无线传感器经过上行随机竞争信道向节点请求发送数据时隙资源；无线汇聚节点4分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道反馈给无线传感器；无线传感器在被分配的上行共享信道时隙处发送数据。3次交互分别在不同通信帧内，即进行一次数据上传至少需经历3个通信帧长，如出现中继级联情况则通信时间相应会倍数增加。若请求时隙时下一个通信帧时隙资源已耗尽，节点会顺次分配最近可用通信帧的时隙资源。当有大量无线传感器数据上传时，竞争分配可能使数据传输延时远大于三个通信帧周期。
[0078]
综上所述，本发明引入空中唤醒技术支持实时查询提高了防误校验的实时性，从而提升安全性；本发明采用的空中唤醒技术可以大量降低查询模式的功耗保证长期运行。
