基于WirelessHART技術(shù)的電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

（國網(wǎng)河南省電力公司鶴壁供電公司，鶴壁 458000）

0 引言

近年來，WSN的路由協(xié)議設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)。WSN的路由與其他網(wǎng)絡(luò)有很大不同，因?yàn)閃SN的節(jié)點(diǎn)都是由電池提供能量，所以在 WSN的路由設(shè)計(jì)中要消耗大量的能量。WSN主要應(yīng)用于監(jiān)測領(lǐng)域，數(shù)據(jù)流以收斂為主，即從周圍源節(jié)點(diǎn)向中心匯聚節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谀承?yīng)用領(lǐng)域中并不是靜態(tài)的，新的節(jié)點(diǎn)將不斷增加，對于舊節(jié)點(diǎn)死亡，則要求路由協(xié)議具有一定的適應(yīng)性[1]。電力采集是傳統(tǒng)的，通常依靠手工抄表或現(xiàn)場總線向上位機(jī)傳送電能表數(shù)據(jù)，線路連接費(fèi)用高，難以與多系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互[2]。電力采集方面，采用ZigBee技術(shù)改造有線電能表，建立無線通信網(wǎng)。但是在ZigBee中，由于通信距離短、抗干擾性差，儀器信號傳輸?shù)目煽啃暂^低；儀器通過LoRa技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程分組，但是數(shù)據(jù)請求和響應(yīng)周期很長，網(wǎng)狀監(jiān)測系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。針對這一問題，提出了基于WirelessHART技術(shù)的電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。通過測試無線傳感器節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵參數(shù)和性能，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)魯棒性，而且降低了網(wǎng)絡(luò)功耗。

1 電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝在電壓和電流互感器負(fù)載端的無線測量裝置，可以完成電流、電壓、功率和電流參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。圖1中顯示了整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

每個測量單元采用無線 HART模塊作為無線節(jié)點(diǎn)，與其它測量儀組成自組織、在完成與節(jié)點(diǎn)的初始通信之后，節(jié)點(diǎn)將與區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

WirelessHART WirelessGateway任務(wù)是建立和管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)，Wireless通過Hart命令發(fā)送主動請求，在儀表存儲了所采集的電流、電壓、功率等測量數(shù)據(jù)后，并與無線網(wǎng)關(guān)中的各個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信[3]。儀表建立通訊鏈路，利用MODBUS或OPC通信獲取儀器當(dāng)前測量值，把整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)服務(wù)器或存儲服務(wù)器上，對無線網(wǎng)關(guān)功耗信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，配置E-R圖和數(shù)據(jù)存儲方式，生成功耗報(bào)告，建立功耗數(shù)據(jù)模型。

1.1 變送器

本實(shí)用新型的主要功能是將流經(jīng)流量傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。為實(shí)現(xiàn)該方案，變送器硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，其主要包括流量計(jì)的控制板和無線通訊板兩部分。圖2中顯示了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變送器結(jié)構(gòu)。

圖2 變送器結(jié)構(gòu)

圖2顯示了基本的硬件模塊設(shè)計(jì)，該變送器的硬件設(shè)計(jì)主要是為了采集流量傳感器的數(shù)量。在主機(jī)通過命令查詢流量信息時(shí)，主機(jī)向主機(jī)發(fā)送所收集的信息。從硬件設(shè)計(jì)的角度看，硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]。綜合考慮模塊的可靠性、功率和功耗，通過模擬電路完成I/V轉(zhuǎn)換，該數(shù)據(jù)采集模塊將4～20毫安的模擬電流信號轉(zhuǎn)換成0～5V的向MSP430F149的ad端口P6發(fā)送模擬電壓信號；選擇AT24C512芯片支持I2C，存儲器的比特是512K，換言之，它能儲存512K（524288 byte），能被擦除和寫入100次，數(shù)據(jù)能存儲100年。該接口模塊提供通用RS232接口連接到無線通訊板，sp232支持RS232[5]。sp232是一種單組驅(qū)動/接收器，它包括一個由單個5V電源提供能量的電容電壓發(fā)生器，可獲得 EIA/TIA-232-E等級。

1.2 無線HART適配器

無線HART適配器是根據(jù)市場需求而設(shè)計(jì)的，對傳統(tǒng)的有線HART儀器來說，系統(tǒng)地采用有線HART儀器，使之與有線HART網(wǎng)絡(luò)相連。所以升級系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中的適配器必須兼容HART和WirelessHART通信，并且通過HART命令就可以直接設(shè)置和處理。另外，由于適配器不總是在工作狀態(tài)下使用干電池，所以要延長電池壽命，必須將適配器設(shè)計(jì)成低功率[6]。因此，必須選擇如圖3所示的低功率和睡眠模式硬件。

圖3 適配器結(jié)構(gòu)

由圖3可知，使用efm32gg230f512芯片的CPU，主要負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)，而發(fā)送端使用at86rf233無線模塊，主要通過FSK調(diào)制解調(diào)器調(diào)節(jié)鋰電池電壓。

1.3 無線電能表

智能電表是智能電網(wǎng)終端，與傳統(tǒng)意義上的電能表不同，使用三相四線制無線傳輸方式，在數(shù)據(jù)采樣時(shí)，電壓相位與表端相連，中性點(diǎn)與接地端相連，電流互感器的輸出結(jié)果與采樣相位相同。為了適應(yīng)智能網(wǎng)絡(luò)，該電能表還具有雙向計(jì)費(fèi)功能，可控制用戶終端和多種數(shù)據(jù)傳輸模式，防止偷竊現(xiàn)象發(fā)生。互感式線圈模擬信號預(yù)處理芯片選用Att7022e以及輸出活動脈沖、脈沖反應(yīng)、明顯脈沖和基極通過7路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來精確測量相電壓、相電流、有功功率等數(shù)字信號，并使用脈沖信號捕捉三相電力系統(tǒng)設(shè)備的功率因數(shù)。

智能儀表有TTL串口，通過串口與efm32gg230f512芯片通訊，控制器用于控制串口輸入輸出，形成完整的線框。智能電表內(nèi)附開關(guān)，在斷電情況下，表內(nèi)數(shù)據(jù)依然可以保存較長時(shí)間，通過LED雙顯示功能，可查看計(jì)度器用電量和剩余電量及其他相關(guān)信息。在HART7.6協(xié)議中，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)由WiFi網(wǎng)關(guān)組成，支持所有現(xiàn)場設(shè)備指令發(fā)送和突發(fā)模式。外設(shè)提供 TTL與RS485接口，實(shí)現(xiàn)串口與外設(shè)的全雙工通訊。

1.4 電源電路

主要負(fù)責(zé)為KIA7818AP芯片供電，能夠保護(hù)主板正常工作，為保證每個模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行提供電力。供電方式主要分為兩種，一種是線性供電方式，利用三極管電壓反饋，為電源提供電力；另一種是開關(guān)供電方式，根據(jù)飽和區(qū)域電壓變化情況，為電源提供電力。由于線性電源技術(shù)相對成熟，生產(chǎn)成本低，穩(wěn)定性高，所以在電源設(shè)計(jì)中采用線性電源模式。功率電路的主要功能是把24伏特的場壓轉(zhuǎn)換成3.3伏特和5伏特的工作電壓。因?yàn)楦鱾€模塊芯片工作電壓不同，所以，設(shè)計(jì)一個如圖4所示的電源電路來控制電路輸出功率。

圖4 電源電路

從圖4可以看出，輸入引腳1kia7818ap與電容C1并聯(lián)，電容為0.1uf。電容C1能過濾24V的高頻脈沖信號，輸出口3關(guān)聯(lián)l0uF的容量，由于充放電的特性，電解電容使整流后脈沖直流電壓達(dá)到一個相對穩(wěn)定水平，其它電容與電解電容在電路中作用是相同的。

2 電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)無線通信程序

基于無線通信程序的無線Hart設(shè)備結(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，本網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)設(shè)備節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)間通訊。圖5顯示了網(wǎng)關(guān)程序流程圖。

圖5 網(wǎng)關(guān)無線通信程序流程

由圖5可知，該過程首先對硬件和WirelessHART協(xié)議棧進(jìn)行初始化，然后由網(wǎng)絡(luò)管理員創(chuàng)建新的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)，建立網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，添加密鑰和信道映射表，開啟全局中斷，啟動無線監(jiān)控狀態(tài)，等待設(shè)備節(jié)點(diǎn)連接；在連接網(wǎng)絡(luò)之后，發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)訪問請求并驗(yàn)證連接鍵。成功訪問網(wǎng)絡(luò)后，記錄網(wǎng)絡(luò)ID和信道映射表；設(shè)備節(jié)點(diǎn)接二連三地加入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)休眠，起床后，進(jìn)入通訊狀態(tài)，根據(jù)各自功能向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。在終端節(jié)點(diǎn)反饋傳感器信號時(shí)，網(wǎng)關(guān)通過串口向主機(jī)發(fā)送傳感器信號。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，不同節(jié)點(diǎn)通過多跳將數(shù)據(jù)包上傳到sink節(jié)點(diǎn)中，通過分布式路由協(xié)議將每個節(jié)點(diǎn)所接收的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，再選擇性地將數(shù)據(jù)包依次發(fā)送給各個鄰近節(jié)點(diǎn)，以確保傳輸過程中數(shù)據(jù)包離接收節(jié)點(diǎn)更近。節(jié)點(diǎn)的鄰接點(diǎn)可分為三類：梯度值較小的節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)；相鄰節(jié)點(diǎn)的梯度值等于或大于相鄰節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)稱為兄弟節(jié)點(diǎn)。為保證跳數(shù)最小，避免數(shù)據(jù)的搜索、傳輸和傳遞，所有的父節(jié)點(diǎn)都被選為候選中繼節(jié)點(diǎn)。若在通訊范圍內(nèi)沒有工作父節(jié)點(diǎn)，則選擇所有兄弟節(jié)點(diǎn)作為替代中繼。

根據(jù)式(1)評估所有候選節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，設(shè)需要評估的候選節(jié)點(diǎn)為x：

式(1)中，Efun（x）表示數(shù)據(jù)發(fā)送能量迭代函數(shù)，α為該函數(shù)下決策權(quán)重；RSS表示發(fā)送數(shù)據(jù)同節(jié)點(diǎn)間信號強(qiáng)度，β為該強(qiáng)度下決策權(quán)重。

Efun（x）能夠評估候選節(jié)點(diǎn)自身能量和電池使用情況，定義為：

式(2)中，E表示節(jié)點(diǎn)x當(dāng)前電池剩余能量；initialenergy表示初始能量；k表示0.5～1之間的常數(shù)；y表示中繼節(jié)點(diǎn)。

Efun（x）是迭代計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)Efun（x）值梯度為1時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)剩余電池電量百分比；當(dāng)Efun（x）值梯度為2時(shí)，表示所有節(jié)點(diǎn)冪次百分比之和。因?yàn)閗在0.5～1之間，耗電量越快，所以中線受梯度點(diǎn)能量影響越大，且能量梯度小。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代計(jì)算，該數(shù)值能夠描述多個節(jié)點(diǎn)上的能耗。設(shè)RSS表示路由質(zhì)量一重要參考指標(biāo)，該指標(biāo)表示候選中繼點(diǎn)與發(fā)送點(diǎn)之間的信號強(qiáng)度，RSS值越大，信道受到干擾影響就越小，這種低干擾信道在傳輸可靠性方面更加可靠。利用RSS協(xié)議，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)電源的傳輸，功率可調(diào)，節(jié)省電池能量。

3 網(wǎng)絡(luò)測試

為了驗(yàn)證基于WirelessHART技術(shù)的電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試。

3.1 無線通信距離測試

對所設(shè)計(jì)的電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)最大通信距離測試，主要是為了驗(yàn)證使用WirelessHART技術(shù)設(shè)計(jì)方案的合理性。通過設(shè)置測試節(jié)點(diǎn)在不同環(huán)境的測試模式，分析其通信能力，整個控制裝置可以輸出4～20mA電流信號，具有較高的控制精度，使用方便的特點(diǎn)。

在不同通信環(huán)境下，分別使用ZigBee技術(shù)、LoRa技術(shù)和WirelessHART技術(shù)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)測試無線通信最大距離，如圖6所示。

圖6 不同技術(shù)下無線通信最大距離測試結(jié)果對比分析

由圖6可知，使用ZigBee技術(shù)在四種工況環(huán)境下，與期望值最大相差40m；使用LoRa技術(shù)在四種工況環(huán)境下，與期望值最大相差58m；使用WirelessHART技術(shù)在四種工況環(huán)境下，與期望值一致，由此可知，使用該技術(shù)通信距離較遠(yuǎn)，且與預(yù)期值一致。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸精度測試

采用DCS控制系統(tǒng)測試無線 shart設(shè)備節(jié)點(diǎn)的精度，由于輸出電流信號準(zhǔn)確，所以選用DCS控制系統(tǒng)，并與WirelessHART裝置兼容。AO輸出端口的輸出范圍在DCS輸出配置參數(shù)設(shè)置中為百分比。

在AO的4個輸出端口處，分別使用ZigBee技術(shù)、LoRa技術(shù)和WirelessHART技術(shù)測試端口電流數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 不同技術(shù)下數(shù)據(jù)傳輸精度測試結(jié)果對比分析

由圖7可知，使用ZigBee技術(shù)與理想電流數(shù)據(jù)最大差7mA；使用LoRa技術(shù)與理想電流數(shù)據(jù)最大差7.5mA；使用WirelessHART技術(shù)與理想電流數(shù)據(jù)最大差1mA，由此可知，使用該技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸精度較高，與理想電流最為接近。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的基于WirelessHART技術(shù)的電力無線傳感網(wǎng)絡(luò)，功耗低、精度高，使用HART命令與WirelessHART設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)信號傳輸距離長、數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)度高，是一個十分可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

該無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的基本功能，接下來將改善網(wǎng)絡(luò)的其他功能，增強(qiáng)安全性，并根據(jù)應(yīng)用需要修改和調(diào)整現(xiàn)有的協(xié)議棧。在今后研究進(jìn)程中，集中力量擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和吞吐量，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議細(xì)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)和通信資源的中央管理。設(shè)置一個應(yīng)用服務(wù)器在后臺，通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對無線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。