基于ESP-Mesh网络的变电站物联信息汇聚

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.S2.009

基于ESP-Mesh网络的变电站物联信息汇聚

倪阳旦¹, 卢东祁^,², 喻谦², 徐一洲², 谢妮娜²

1.国网浙江省电力有限公司信息通信分公司,杭州 310007

2.国网浙江省电力有限公司台州供电公司,浙江台州, 318000

Internet of Things Information Gathering of Substation Based on ESP-Mesh Network

NI Yangdan¹, LU Dongqi^,², YU Qian², XU Yizhou², XIE Nina²

1. Information and Communication Branch, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310007, China

2. Taizhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Taizhou 318000, Zhejiang, China

通讯作者: 卢东祁,男,工程师,电话(Tel.):18505867560;E-mail:ldq_2019@qq.com.

责任编辑: 孙伟

收稿日期: 2021-10-26

基金资助:

国家电网有限公司科技项目(5211TZ1900S6)

Received: 2021-10-26

作者简介 About authors

倪阳旦(1986-),男,浙江省绍兴市人,高级工程师,从事电力信息通信技术研究.

摘要

随着国家智能电网的建设,变电站中各种传感器日益增多,且变电站占地面积大,如何实现变电站设备的统一管理、监控和维护,成为越来越迫切的需求.无线Mesh网络具有自组网和自愈合能力,能够单独控制各节点,满足上述需求.以ESP32芯片为硬件节点模块,利用其自带的WIFI模块配置Mesh网络并进行组网,实现了传感器与ESP32的连接和通信、Mesh网络下层级之间的数据透传以及上层级之间的数据解析和数据库保存操作,建立了完整的Mesh网络框架.经测试,该系统结构简单清晰、部署快捷、便于维护,基本满足在变电站环境下的物联网实现.

关键词： Mesh组网; 变电站; 电力物联网; ESP32

Abstract

With the construction of the national smart grid, there are more and more sensors in substations, and due to the large area of substations, how to unify the management, monitoring, and maintenance of substation devices has become an urgent need. Wireless mesh network has the ability of self-organization of network and self-healing, and can independently control each node to meet the above requirements. In this paper, ESP32 was used as the hardware node module, and its own WIFI module was used to configure and network the Mesh network. The connection and communication between the sensors and ESP32, the data transfer from lower computer, and the data analysis and database saving operations from upper computer were realized. In addition, a complete Mesh network framework was established. The test results show that the system has a simple and clear structure, quick deployment, easy maintenance, which basically meets the implementation of the Internet of things (IoT) in a substation environment.

Keywords： Mesh network; substation; power Internet of things (IoT); ESP32

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本文引用格式

倪阳旦, 卢东祁, 喻谦, 徐一洲, 谢妮娜. 基于ESP-Mesh网络的变电站物联信息汇聚[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(S2): 60-63 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.S2.009

NI Yangdan, LU Dongqi, YU Qian, XU Yizhou, XIE Nina. Internet of Things Information Gathering of Substation Based on ESP-Mesh Network[J]. Journal of shanghai Jiaotong University, 2021, 55(S2): 60-63 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.S2.009

散布于变电站的哑终端存在交互壁垒高和访问接口难统一等问题,电力物联网为其提供了一种智能化集成方式,使其可以通过智能化改造接入物联网中,实现统一感知、统一监控和统一管理.目前,在智能电网的要求下,变电站的感知设备日益增多,针对变电站占地面积大、采集信息量大和传感器分布广等特点,需要一种能够在建设维护成本较低和可靠性较高的前提下,进行传感器设备统一感知和统一接入的新方法.

Mesh网络是一种多跳无线网状网络,一般以边缘设备为中心节点,可以自动选出与边缘设备之间信号最强的节点为父节点,并自行组网^[1].相较于传统有线组网方式,Mesh组网无需布线,后续维护少;相较于WIFI无线局域网,Mesh组网更简单、高效,而且去中心化的设计使其不会因中心节点故障造成大量设备脱网;相较于红外射频和ZigBee(一种短距离无线通信技术)组网,Mesh组网覆盖范围更广、抗干扰能力更强且兼容性更好^[2].

1 ESP-Mesh组网

1.1 变电站组网特点

变电站环境下的物联设备联网及其运行要求特点:①变电站的占地面积往往较大,有线网络连接的方式会导致布线复杂、维护困难等问题;②变电站的强电环境和电磁环境较复杂,场地中存在较强电磁干扰,节点与接入点距离越远,受干扰程度越大,信号越差^[3];③组网结构能够在无人监管和维护的情况下保持长期稳定运行.

Mesh网络具有自动组网和自愈合特性,契合变电站中物联信息可靠接入的需求,当网络故障时,其仍能够保证业务的稳定性.

1.2 Mesh网络优势

无线Mesh网络中的每个节点均可以作为子节点和父节点,整个网络中仅有一个节点与边缘设备相连,其余节点仅需连接已组网的相邻设备即可.这一特性解决了变电站中因各感知节点距离中心节点较远造成的信号不能全面覆盖问题.此外,Mesh网络具有一定的自愈能力,能够在任意父节点甚至根节点离线的情况下自动重新组网,能够在一段时间后重新上线并发送之前产生的数据,实现真正意义上的网络自愈^[4].Mesh网络是一种动态网络,因此其能够定期检测网络中各节点的信号强度,并在信号强度变弱的情况下,自动重新组网,自动维护网络层级及其与边缘设备之间的信号稳定^[5].

1.3 ESP-Mesh简介

ESP32(上海乐鑫信息科技有限公司)是一种微控制单元芯片,其将天线开关、功率放大器、滤波器和电源管理模块等功能集于一体,支持WIFI和蓝牙功能,具备强大的计算能力和较高的安全性.本文将ESP32作为Mesh网络节点,利用其将变电站存量的哑终端变为智能终端,ESP32 Mesh网络层级结构如图1所示.

图1

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图1 ESP32 Mesh网络层级

Fig.1 Network hierarchy of ESP32 Mesh

2 系统功能实现

2.1 传感器信息采集与传输

ESP32提供了40组通用输入/输出(GPIO)接口,其中包括I2C和SPI等多种协议接口.乐鑫ESP-SDK(一个免费开源的软件开发工具包)封装了GPIO接口的设置和读写接口:使用结构体gpio_config_t对接口进行配置;然后使用gpio_set_direction(·)函数对IO口配置其输入/输出方向;最后使用gpio_get_level(·)函数读取开关量的电平值.

此外,ESP-SDK提供了mwifi_write(·)函数用以传输数据.函数传入时,发送数据的内容、长度和数据类型以及目标地址等参数实现数据透传.为便于业务数据打包和解包,将数据封装为JSON格式,其基本结构如下:

"Node ID": "节点标识"

"Type": "数据类型"

"Time": "数据时标"

"Data": "数据内容"

其中:Node ID为产生业务数据的节点唯一标识;Type定义业务数据的格式类型,由通信双方约定含义;Time为数据产生的时标; Data为业务数据内容,如传感器信息.业务数据内容既可以直接封装上传由传感器设备上传的信息的二进制,也可以按照端设备协议进行简单解析处理后, 仅上传有效数据载荷的某些部分,从而提升通信效率,减轻边缘设备的协议处理负担.

2.2 ESP-Mesh组网

Mesh组网拥有自组网、自愈合、接入快速和稳定性强等特性,支持设备的异步上电和节点的动态加入.其系统能够根据信号强弱,自动选取根节点并重新组网,而不需要断开网络或重新手动配置网络设置.其组网的主要流程如图2所示.

图2

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图2 Mesh组网流程

Fig.2 Mesh networking process

2.3 ESP-Mesh安全性

在Mesh网络传输中,默认使用WPA预共享密钥(WPA2-PSK)对通信内容进行加密.在实际使用过程中,还可以对业务内容进行AES-128/AES-192/AES-256算法加密,确保通信信道上数据的机密性.ESP32自带硬件级的高级加密标准(AES)加速器,可以有效提升加解密性能.

在Mesh组网阶段,利用AES算法进行Mesh组网密码的加密,防止密钥被窃取;在端设备接入Mesh网络后,鉴权端设备的媒体存取控制位址和设备唯一ID等身份信息.如果鉴权失败则可以拒绝端设备组网,以防止未授权、过期甚至恶意设备并入本地Mesh网络中,从而有效提升Mesh网络和联网端设备的安全性.

3 ESP-Mesh网络性能分析

Mesh网络虽然可以通过增加汇聚点和调整层内节点个数来控制网状网络的层级数量和节点个数,但其网络性能仍然受制于同频竞争和层级转发等固有不利因素,导致响应速度和丢包率等方面受到影响.

3.1 多跳网络节点响应时间

对远端同一节点发送1 K数据包并统计数据之间返回时的时间差,得到其响应时间.在末端传感器设备与边缘设备之间加入或减少ESP32 Mesh节点,组成不同跳数的网络结构,测试在不同跳数下传感器设备到边缘设备之间的的响应时间^[6].每组试验重复30次,取平均值后得到Mesh节点与其通信目标之间的跳数(n)和响应时间(t)关系,如图3所示.可知,当n≤3时,即使对于大数据包,响应时间依然较短;而当n=4时,即流量经过5个设备节点时,响应时间达到330 ms左右.因此,在Mesh网络组网下,过多的跳数会导致响应时间延长,最终造成通信链路可靠性下降.

图3

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图3 Mesh节点跳数与响应时间关系

Fig.3 Mesh node hops versus response time

3.2 多跳网络节点丢包率

在Mesh网络中,除根节点外,其他所有节点与边缘设备之间的通信均需要经过其他节点转发,导致响应时间延长,丢包率上升.不同跳数Mesh网络的测试结果如图4所示.当n=2时,丢包率极低;但随着n值增大,丢包率也逐渐上升.在模拟的测试环境下,当n=6时,丢包率维持在20%左右;当 n=7时,丢包率快速上升至30%.丢包率上升,使得网络中存在大量重发报文,通信效率严重下降.

图4

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图4 Mesh节点跳数与丢包率关系

Fig.4 Mesh node hops versus packet loss rate

4 结论

本文介绍Mesh组网技术,分析其在变电站环境下用于组建传感器物联网的优势.设计并建立变电站内的Mesh传感器物联网网络,并通过试验分析其在实际环境中存在的一些问题.具体结论如下:

(1) Mesh网络在处理规模较大的网络组网时,存在响应时间延长和可靠性下降等问题.对此,可以增加Mesh网络汇聚点和单层节点数,改进传输协议引入排序方法的优化,以及在物理距离较近的设备之间使用蓝牙Mesh网络组网等方式予以解决或缓解^[6,7,8].

(2) 针对变电站中的终端设备,相较于传统的有线组网和WIFI组网,Mesh组网更灵活、方便,建设和维护投入均较少,易于部署和扩展,使用功耗低等特点,能够更好地满足变电站无人值守、电磁干扰性和地域范围广的实际情况.此外,Mesh网络具有自组织、自愈合的动态适配能力,可以应对单节点和心节点故障,可以满足变电站物联信息汇聚需求,应用前景广阔^[9,10].

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

杨峰, 黄俊, 罗小华.

无线Mesh网络综述

[J]. 广西通信技术, 2009(2): 12-14.