電力塔的無線傳感器網絡監測系統設計

張燚

（哈爾濱理工大學 測量與通信工程學院，哈爾濱 150080）

引 言

作為電能生產、輸送、供應的載體，電力設施是輸送動力和光明的通道，而其中高壓線路和電力塔更是遠程電能輸送的關鍵設施。但由于人為違法損壞（盜竊、破壞等）和自然災害損壞（雨雪冰凍、颶風等）等不確定因素的影響，電力傳輸可能會被中斷，傳輸中斷后不容易判斷故障發生的具體位置，無法及時搶修，導致巨大的經濟損失。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4協議規定的技術，是一種短距離、低功耗、高可靠的無線通信技術。通信距離從標準的75m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。它最多可由65 000個無線數傳模塊組成一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數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境信息監測網絡為研究對象，構建一個基于ZigBee技術的電力塔無線傳感器網絡監測系統，通過節點自身電路和協議實現數據包快速、有效的延伸接力傳輸；重點對監測網絡的網絡結構、通信協議、節點硬件、電路能耗等幾個關鍵技術進行相關理論和應用研究。

1 硬件設計

在電力塔無線傳感器網絡中，節點作為檢測信息的傳感器載體，又與一般概念的傳感器不同。它不僅能感知監測量的變化，還能對采集的信息進行處理，從中提取出有用的數據，同時將處理后的數據進行傳輸。要實現信息采集、處理、傳輸等功能的傳感器節點包括4個部分：數據采集模塊（檢測傳感器、采集接口）、微處理器、無線收發模塊（ZigBee無線通信模塊、Flash存儲模塊、JTAG調試單元）和電源模塊。ZigBee節點硬件結構如圖1所示。

圖1 ZigBee節點硬件結構

節點的微處理器主要控制采集信息的存儲、處理、無線收發、路由選擇等各模塊的處理功能；數據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信息，并通過A／D轉換器將其轉換為數字信號；無線收發模塊負責與其他傳感器節點的通信；電源管理模塊主要負責節點模塊的輪換休眠，無線收發間隔的控制管理，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絡監測系統節點的功能，系統外圍電路的復雜性和低功耗的實際要求，以及方便數據處理和預留擴展接口的需要，傳感器節點的微處理器采用Silicon Labs公司的C8051F340。通過檢測傳感器電路完成現場數據的采集，控制模塊控制數據存儲電路完成采集、轉發數據的保存，同時根據命令需求控制ZigBee無線通信模塊完成數據的轉發，根據自行設計的無線網關通信協議完成無線網絡的線性組合。

1.2 無線收發模塊

電力塔無線傳感器網絡監測系統節點作為檢測信息的傳感器載體，需要完成信息的采集、處理、傳輸功能。節點的信息收發采用基于ZigBee技術的無線通信方式進行傳輸，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，內嵌IEEE 802.15.4與ZigBeePRO協議棧。其中，PHY層和 MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準，屬于短距離無線通信，通信距離開闊地區為100m左右，采用大功率時可達1～2km，可以滿足無線傳感器監測網絡構建的需求。

傳感器節點的ZigBee無線收發模塊設計主要是以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，復位端保持與節點終端系統一致的外部復位。狀態指示燈D1通過限流電阻R1上拉到電源端，指示模塊工作狀態；電容C1是高頻濾波電容，用來進行電源濾波去除高頻干擾，提高芯片工作的穩定性。

1.3 數據采集模塊

電力塔無線傳感器網絡監測系統需要對高壓輸電線路和電力塔周圍溫度、濕度等信息進行采集測量。

1.3.1 溫度采集單元

溫度傳感器采用Maxim公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20。該芯片可提供9～12位溫度讀數，讀／寫DS18B20僅需一根數據總線。芯片的體積小、硬件開銷小、抗干擾能力強、精度高、附加功能強，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。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出現電源電流供應不足的情況，不會影響測量精度。具體實現電路如圖3所示。

圖2 ZigBee無線收發電路圖

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絡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。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，芯片內嵌14位的A／D轉換器，以及兩線串行接口電路，響應迅速、抗干擾能力強、性價比高。在數據采集器、變送器、自動化過程控制、汽車行業、樓宇控制和暖通空調、電力、計量測試、醫藥業等領域應用非常廣泛。具體實現電路如圖4所示。

圖4 濕度傳感器電路圖

2 系統軟件設計

傳感器節點通過標準ZigBee協議棧實現無線網絡連接，同時采用改進的網絡協議完成傳感器數據采集及整體的無線傳感器網絡分層結構線性組網，實現遠程監測中心與電力塔監測現場的數據無線傳輸與控制命令交互。

網絡協議棧具體實現無線傳感器網絡節點的網絡登錄、退出，監測信息的收發、轉發；同時還實現局部監測區域節點的網絡拓撲結構延伸功能，以及電力塔環境監測系統數據遠程采集和網絡管理。根據上面所設計的網絡協議，每個節點入網、退網基本功能在ZigBeePro協議棧基礎上實現，具體節點網絡登錄的流程如圖5所示。

圖5 節點網絡登錄流程

傳感器網絡節點的數據傳輸采用合理的路由協議機制，實現過程如圖6所示。當網絡節點加入網絡后，首先傳感器采集現場數據，并將采集數據保存、封裝后準備處理；如果傳感器監測信息數據需要發送（錯誤發送標志為1）或上層節點數據需要轉發（數據轉發標志為1），則向相鄰ID加1或減1的節點請求數據傳送。當數據發送成功后返回等待，繼續判斷網絡狀態和采集傳感器數據，設置錯誤發送標志，等待下一個周期向相鄰節點通信模塊再次發送。如果沒有數據發送，則設置定時器初始化偵聽周期，節點模塊進入休眠狀態。

圖6 節點數據發送流程

3 節點差錯控制能效仿真

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FEC協議下不同約束長度時的節點數據傳輸進行模擬。仿真參數是基于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，糾錯個數增大會使得FEC誤碼率減小，有利于提高節點能效；但同時也會使代碼長度增加，導致譯碼能耗增大。因此，選擇不同的卷積碼約束長度，即每次相互關聯的數據信息長度不同，節點能耗也有不同的變化。圖7給出了不同約

圖7 約束長度與數據信息能量關系曲線

束長度下節點能耗關系曲線。

結 語

無線傳感器網絡通過部署在現場的微型傳感器節點，將數據采集、處理后通過自組織無線網絡技術把信息傳輸給匯聚節點，實現對節點部署區域信息的監測。本文針對電力塔監測網絡的實際現狀，提出了電力塔無線傳感器網絡的線性組網模型，介紹了電力塔無線傳感器網絡的節點結構和各模塊的設計方法，最后對節點的差錯控制能效進行了仿真。

[1] 湯磊，孫宏斌，張伯明，等.基于信息理論的電力系統在線故障診斷[J].中國電機工程學報，2003，23（7）：5－11.

[2] 朱永利，黃敏，邸劍.基于廣域網的電力遠動系統的研究[J].中國電機工程學報，2005，25（7）：119－124.

[3] 李曉維.無線傳感器網絡技術[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[4] 張淑娥，孔英會，高強.電力系統通信技術[M].北京：中國電力出版社，2005.