一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

劉 皓

江蘇省計量科學(xué)研究院

一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

劉 皓

江蘇省計量科學(xué)研究院

隨著節(jié)能減排工作的推進，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與節(jié)能減排不斷融合，逐漸引領(lǐng)節(jié)能減排工作走向精細化、便捷化、高效化的新高度，另一方面，無線傳感網(wǎng)作為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)而被廣泛應(yīng)用，基于無線傳感網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)由此而應(yīng)運而生。本文介紹了這種應(yīng)用于能源管理系統(tǒng)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

能源計量；能源管理系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

1 前言

隨著節(jié)能減排工作的推進，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與節(jié)能減排不斷融合，逐漸引領(lǐng)節(jié)能減排工作走向精細化、便捷化、高效化的新高度，能源管理系統(tǒng)便是兩者相結(jié)合的產(chǎn)物。能源管理系統(tǒng)是基于自動化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一套計算機智能化管理軟件平臺，該系統(tǒng)能在現(xiàn)場采集各類能耗實時數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)匯總到計算機進行運算分析，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出操控指令，遠程操作現(xiàn)場執(zhí)行器實現(xiàn)其動作并將結(jié)果反饋到系統(tǒng)服務(wù)器，從而實現(xiàn)合理有效的能源管理，達到節(jié)能的目的。

但是，能源管理系統(tǒng)在實際實施過程中，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)布線因受現(xiàn)場條件限制而帶來成本的大幅升高，甚至基本無法實現(xiàn)，因此，基于無線傳感網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)由此而應(yīng)運而生。與有線網(wǎng)絡(luò)不同的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,WSN）是由具有無線通信與計算能力的傳感器構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，由傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。本文介紹了應(yīng)用于能源管理系統(tǒng)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

2 無線傳感網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和工作流程

本項目將現(xiàn)場計量設(shè)備配備無線數(shù)傳模塊，形成采集節(jié)點，這些節(jié)點是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本單元。按照類型來分，組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以分為3類：采集節(jié)點、中繼節(jié)點和匯集節(jié)點。采集節(jié)點采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯集節(jié)點，匯集節(jié)點把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)服務(wù)器；同時匯集節(jié)點從數(shù)據(jù)服務(wù)器接收反饋信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)將反饋信息傳送到采集節(jié)點，采集節(jié)點對反饋指令進行驗證，符合要求后執(zhí)行反饋指令。中繼節(jié)點可以根據(jù)設(shè)定，轉(zhuǎn)發(fā)收到的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從而提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。在沒有采用中繼節(jié)點時，無線傳感網(wǎng)絡(luò)為星形拓撲結(jié)構(gòu)，其中與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連的匯集節(jié)點是中心節(jié)點，采集節(jié)點通過無線與該中心節(jié)點連接。

采集節(jié)點按照一定的時間間隔讀取現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)打包后通過無線模塊發(fā)送給匯集節(jié)點；匯集節(jié)點通過無線模塊接收采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，從而完成數(shù)據(jù)采集的工作流程，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集工作流

反饋控制的工作流程則是由數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送反饋指令到匯集節(jié)點，匯集節(jié)點發(fā)送反饋指令到采集節(jié)點；采集節(jié)點收到反饋指令進行判定后，根據(jù)內(nèi)容做出相應(yīng)的反饋，如圖2所示。

圖2 反饋控制工作流

除了采集節(jié)點是定時發(fā)送數(shù)據(jù)外，其它節(jié)點采用中斷方式進行工作，即收到數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷后，才能進入相應(yīng)處理流程。

3 無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計

無線傳感網(wǎng)采集節(jié)點由4部分組成：信息采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元和電源供給單元。

信息采集單元負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理單元是整個采集節(jié)點的核心,控制整個采集節(jié)點，處理和存儲由信息采集單元采集的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)；無線傳輸單元負責(zé)完成與中繼節(jié)點或匯集節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；電源供給單元為整個節(jié)點提供運行所需要的電力。本文中的采集節(jié)點選擇以下方案以實現(xiàn)節(jié)點的設(shè)計：

（1）因現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)采用串口總線技術(shù)，所以信息采集單元應(yīng)采用基于串口總線技術(shù)的模塊以滿足廣泛的要求。同時，采用串口總線技術(shù)也降低了數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)量和節(jié)點的功耗；

（2）數(shù)據(jù)處理單元為了達到采集節(jié)點低功耗的要求應(yīng)選用具有自動休眠功能的處理器模塊，當(dāng)節(jié)點在不工作的狀態(tài)下能自動進入休眠狀態(tài)，當(dāng)需要采集或傳輸數(shù)據(jù)時自動喚醒；

（3）無線通信單元應(yīng)該以低功耗、低復(fù)雜性、自主組網(wǎng)的要求選用無線通信模塊；

（4）為了提高節(jié)點的用電效率，進行電源模塊的設(shè)計時應(yīng)考慮電源的轉(zhuǎn)換效率,選用轉(zhuǎn)換效率更高的電源轉(zhuǎn)換芯片，降低節(jié)點的電耗。目前市面上常見的電源芯片主要有開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片和直流電源轉(zhuǎn)換芯片，其中開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片具有更高的轉(zhuǎn)換效率，能夠提高節(jié)點的用電效率。

中繼節(jié)點和匯集節(jié)點與采集節(jié)點基本類似，主要的區(qū)別是：中繼節(jié)點和匯集節(jié)點不需要信息采集單元，但是需要增加路由功能以支持所有的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠完成網(wǎng)絡(luò)單元的功能。

4 無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)交互

在本項目中，無線傳感網(wǎng)內(nèi)部的各個節(jié)點通過RF射頻模塊發(fā)送和接受無線信號，從而實現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)交互。但是，由于所采用的無線頻段為開放頻段，且各個節(jié)點之間也會存在干擾，因此，應(yīng)該有一定的保護機制以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。同時，為使系統(tǒng)具備一定的可擴展性，本項目設(shè)計的數(shù)據(jù)格式包含6個數(shù)據(jù)位：Byte1（固定的包頭0x7e，用于標(biāo)志數(shù)據(jù)和防止干擾）、Byte2（固定的包長度0x04，用于指示實際數(shù)據(jù)長度，方便程序處理）、Byte3（組ID，現(xiàn)用來區(qū)分數(shù)據(jù)類型，以后可用來對節(jié)點分簇）、Byte4（節(jié)點ID，指示數(shù)據(jù)的源節(jié)點ID或反饋指令要操作的節(jié)點ID）、Byte5（高位數(shù)據(jù)位，和低位數(shù)據(jù)位一起用來存放需要傳送的數(shù)據(jù)）、Byte6（低位數(shù)據(jù)位）。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)與外部的數(shù)據(jù)交互則集中在作為中心節(jié)點的匯集節(jié)點，該節(jié)點不做數(shù)據(jù)處理，采用上述數(shù)據(jù)格式完成與數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與交互，可以減少匯集節(jié)點的處理邏輯，也方便在數(shù)據(jù)服務(wù)器上進行調(diào)試。