張燚

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)量與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

引 言

作為電能生產(chǎn)、輸送、供應(yīng)的載體，電力設(shè)施是輸送動(dòng)力和光明的通道，而其中高壓線路和電力塔更是遠(yuǎn)程電能輸送的關(guān)鍵設(shè)施。但由于人為違法損壞（盜竊、破壞等）和自然災(zāi)害損壞（雨雪冰凍、颶風(fēng)等）等不確定因素的影響，電力傳輸可能會(huì)被中斷，傳輸中斷后不容易判斷故障發(fā)生的具體位置，無法及時(shí)搶修，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)定的技術(shù)，是一種短距離、低功耗、高可靠的無線通信技術(shù)。通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴(kuò)展。它最多可由65 000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間都可以相互通信。

本文以高壓輸電線路和電力塔環(huán)境信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，構(gòu)建一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過節(jié)點(diǎn)自身電路和協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包快速、有效的延伸接力傳輸；重點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、節(jié)點(diǎn)硬件、電路能耗等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行相關(guān)理論和應(yīng)用研究。

1 硬件設(shè)計(jì)

在電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)信息的傳感器載體，又與一般概念的傳感器不同。它不僅能感知監(jiān)測(cè)量的變化，還能對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，從中提取出有用的數(shù)據(jù)，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。要實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、傳輸?shù)裙δ艿膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)包括4個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集模塊（檢測(cè)傳感器、采集接口）、微處理器、無線收發(fā)模塊（ZigBee無線通信模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、JTAG調(diào)試單元）和電源模塊。ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)的微處理器主要控制采集信息的存儲(chǔ)、處理、無線收發(fā)、路由選擇等各模塊的處理功能；數(shù)據(jù)采集模塊主要用于感知、采集高壓輸電線路和電力塔的相關(guān)信息，并通過A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)的通信；電源管理模塊主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)模塊的輪換休眠，無線收發(fā)間隔的控制管理，以及電池電量、太陽能充電的管理等功能。

1.1 微處理器

考慮到電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功能，系統(tǒng)外圍電路的復(fù)雜性和低功耗的實(shí)際要求，以及方便數(shù)據(jù)處理和預(yù)留擴(kuò)展接口的需要，傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器采用Silicon Labs公司的C8051F340。通過檢測(cè)傳感器電路完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，控制模塊控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路完成采集、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的保存，同時(shí)根據(jù)命令需求控制ZigBee無線通信模塊完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)自行設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議完成無線網(wǎng)絡(luò)的線性組合。

1.2 無線收發(fā)模塊

電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)信息的傳感器載體，需要完成信息的采集、處理、傳輸功能。節(jié)點(diǎn)的信息收發(fā)采用基于ZigBee技術(shù)的無線通信方式進(jìn)行傳輸，通信模塊采用Jennic新推出的第三代超低功耗、低成本的無線微控制器JN5148芯片，內(nèi)嵌IEEE 802.15.4與ZigBeePRO協(xié)議棧。其中，PHY層和 MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，屬于短距離無線通信，通信距離開闊地區(qū)為100m左右，采用大功率時(shí)可達(dá)1～2km，可以滿足無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的需求。

傳感器節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)主要是以JN5148芯片為核心，通過UART異步串口及SPI總線接口與主處理器進(jìn)行通信，完成模塊的初始化和命令，JN5148芯片與主控制器連接如圖2所示。電源采用3.3V供電，復(fù)位端保持與節(jié)點(diǎn)終端系統(tǒng)一致的外部復(fù)位。狀態(tài)指示燈D1通過限流電阻R1上拉到電源端，指示模塊工作狀態(tài)；電容C1是高頻濾波電容，用來進(jìn)行電源濾波去除高頻干擾，提高芯片工作的穩(wěn)定性。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)高壓輸電線路和電力塔周圍溫度、濕度等信息進(jìn)行采集測(cè)量。

1.3.1 溫度采集單元

溫度傳感器采用Maxim公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該芯片可提供9～12位溫度讀數(shù)，讀／寫DS18B20僅需一根數(shù)據(jù)總線。芯片的體積小、硬件開銷小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、附加功能強(qiáng)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。芯片采用外部電源供電模式，電源通過VDD引腳接入，接口線即使不上拉也不會(huì)出現(xiàn)電源電流供應(yīng)不足的情況，不會(huì)影響測(cè)量精度。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

圖2 ZigBee無線收發(fā)電路圖

圖3 外接電源工作方式

1.3.2 濕度采集單元

電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的濕度信息采集傳感器選用瑞士Sensirion公司高精度濕度傳感器SHT75。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，芯片內(nèi)嵌14位的A／D轉(zhuǎn)換器，以及兩線串行接口電路，響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高。在數(shù)據(jù)采集器、變送器、自動(dòng)化過程控制、汽車行業(yè)、樓宇控制和暖通空調(diào)、電力、計(jì)量測(cè)試、醫(yī)藥業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 濕度傳感器電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)采用改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成傳感器數(shù)據(jù)采集及整體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)線性組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心與電力塔監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)無線傳輸與控制命令交互。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧具體實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)登錄、退出，監(jiān)測(cè)信息的收發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)局部監(jiān)測(cè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)延伸功能，以及電力塔環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集和網(wǎng)絡(luò)管理。根據(jù)上面所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、退網(wǎng)基本功能在ZigBeePro協(xié)議?；A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，具體節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)登錄的流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)登錄流程

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸采用合理的路由協(xié)議機(jī)制，實(shí)現(xiàn)過程如圖6所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，首先傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)保存、封裝后準(zhǔn)備處理；如果傳感器監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)需要發(fā)送（錯(cuò)誤發(fā)送標(biāo)志為1）或上層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志為1），則向相鄰ID加1或減1的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后返回等待，繼續(xù)判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和采集傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)置錯(cuò)誤發(fā)送標(biāo)志，等待下一個(gè)周期向相鄰節(jié)點(diǎn)通信模塊再次發(fā)送。如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則設(shè)置定時(shí)器初始化偵聽周期，節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖6 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程

3 節(jié)點(diǎn)差錯(cuò)控制能效仿真

本文在采用不同的卷積碼編碼方式的情況下，使用MATLAB軟件對(duì)FEC協(xié)議下不同約束長(zhǎng)度時(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行模擬。仿真參數(shù)是基于Jennic新推出的第三代超低功耗無線傳感器模塊JN5148。由分析可知，糾錯(cuò)個(gè)數(shù)增大會(huì)使得FEC誤碼率減小，有利于提高節(jié)點(diǎn)能效；但同時(shí)也會(huì)使代碼長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致譯碼能耗增大。因此，選擇不同的卷積碼約束長(zhǎng)度，即每次相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息長(zhǎng)度不同，節(jié)點(diǎn)能耗也有不同的變化。圖7給出了不同約

圖7 約束長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)信息能量關(guān)系曲線

束長(zhǎng)度下節(jié)點(diǎn)能耗關(guān)系曲線。

結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過部署在現(xiàn)場(chǎng)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集、處理后通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域信息的監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)電力塔監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際現(xiàn)狀，提出了電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的線性組網(wǎng)模型，介紹了電力塔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和各模塊的設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)節(jié)點(diǎn)的差錯(cuò)控制能效進(jìn)行了仿真。

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