电力塔的无线传感器网络监测系统设计

张燚

（哈尔滨理工大学 测量与通信工程学院，哈尔滨 150080）

引 言

作为电能生产、输送、供应的载体，电力设施是输送动力和光明的通道，而其中高压线路和电力塔更是远程电能输送的关键设施。但由于人为违法损坏（盗窃、破坏等）和自然灾害损坏（雨雪冰冻、飓风等）等不确定因素的影响，电力传输可能会被中断，传输中断后不容易判断故障发生的具体位置，无法及时抢修，导致巨大的经济损失。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4协议规定的技术，是一种短距离、低功耗、高可靠的无线通信技术。通信距离从标准的75m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。它最多可由65 000个无线数传模块组成一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间都可以相互通信。

本文以高压输电线路和电力塔环境信息监测网络为研究对象，构建一个基于ZigBee技术的电力塔无线传感器网络监测系统，通过节点自身电路和协议实现数据包快速、有效的延伸接力传输；重点对监测网络的网络结构、通信协议、节点硬件、电路能耗等几个关键技术进行相关理论和应用研究。

1 硬件设计

在电力塔无线传感器网络中，节点作为检测信息的传感器载体，又与一般概念的传感器不同。它不仅能感知监测量的变化，还能对采集的信息进行处理，从中提取出有用的数据，同时将处理后的数据进行传输。要实现信息采集、处理、传输等功能的传感器节点包括4个部分：数据采集模块（检测传感器、采集接口）、微处理器、无线收发模块（ZigBee无线通信模块、Flash存储模块、JTAG调试单元）和电源模块。ZigBee节点硬件结构如图1所示。

图1 ZigBee节点硬件结构

节点的微处理器主要控制采集信息的存储、处理、无线收发、路由选择等各模块的处理功能；数据采集模块主要用于感知、采集高压输电线路和电力塔的相关信息，并通过A／D转换器将其转换为数字信号；无线收发模块负责与其他传感器节点的通信；电源管理模块主要负责节点模块的轮换休眠，无线收发间隔的控制管理，以及电池电量、太阳能充电的管理等功能。

1.1 微处理器

考虑到电力塔无线传感器网络监测系统节点的功能，系统外围电路的复杂性和低功耗的实际要求，以及方便数据处理和预留扩展接口的需要，传感器节点的微处理器采用Silicon Labs公司的C8051F340。通过检测传感器电路完成现场数据的采集，控制模块控制数据存储电路完成采集、转发数据的保存，同时根据命令需求控制ZigBee无线通信模块完成数据的转发，根据自行设计的无线网关通信协议完成无线网络的线性组合。

1.2 无线收发模块

电力塔无线传感器网络监测系统节点作为检测信息的传感器载体，需要完成信息的采集、处理、传输功能。节点的信息收发采用基于ZigBee技术的无线通信方式进行传输，通信模块采用Jennic新推出的第三代超低功耗、低成本的无线微控制器JN5148芯片，内嵌IEEE 802.15.4与ZigBeePRO协议栈。其中，PHY层和 MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，属于短距离无线通信，通信距离开阔地区为100m左右，采用大功率时可达1～2km，可以满足无线传感器监测网络构建的需求。

传感器节点的ZigBee无线收发模块设计主要是以JN5148芯片为核心，通过UART异步串口及SPI总线接口与主处理器进行通信，完成模块的初始化和命令，JN5148芯片与主控制器连接如图2所示。电源采用3.3V供电，复位端保持与节点终端系统一致的外部复位。状态指示灯D1通过限流电阻R1上拉到电源端，指示模块工作状态；电容C1是高频滤波电容，用来进行电源滤波去除高频干扰，提高芯片工作的稳定性。

1.3 数据采集模块

电力塔无线传感器网络监测系统需要对高压输电线路和电力塔周围温度、湿度等信息进行采集测量。

1.3.1 温度采集单元

温度传感器采用Maxim公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20。该芯片可提供9～12位温度读数，读／写DS18B20仅需一根数据总线。芯片的体积小、硬件开销小、抗干扰能力强、精度高、附加功能强，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。芯片采用外部电源供电模式，电源通过VDD引脚接入，接口线即使不上拉也不会出现电源电流供应不足的情况，不会影响测量精度。具体实现电路如图3所示。

图2 ZigBee无线收发电路图

图3 外接电源工作方式

1.3.2 湿度采集单元

电力塔无线传感器网络中的湿度信息采集传感器选用瑞士Sensirion公司高精度湿度传感器SHT75。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，芯片内嵌14位的A／D转换器，以及两线串行接口电路，响应迅速、抗干扰能力强、性价比高。在数据采集器、变送器、自动化过程控制、汽车行业、楼宇控制和暖通空调、电力、计量测试、医药业等领域应用非常广泛。具体实现电路如图4所示。

图4 湿度传感器电路图

2 系统软件设计

传感器节点通过标准ZigBee协议栈实现无线网络连接，同时采用改进的网络协议完成传感器数据采集及整体的无线传感器网络分层结构线性组网，实现远程监测中心与电力塔监测现场的数据无线传输与控制命令交互。

网络协议栈具体实现无线传感器网络节点的网络登录、退出，监测信息的收发、转发；同时还实现局部监测区域节点的网络拓扑结构延伸功能，以及电力塔环境监测系统数据远程采集和网络管理。根据上面所设计的网络协议，每个节点入网、退网基本功能在ZigBeePro协议栈基础上实现，具体节点网络登录的流程如图5所示。

图5 节点网络登录流程

传感器网络节点的数据传输采用合理的路由协议机制，实现过程如图6所示。当网络节点加入网络后，首先传感器采集现场数据，并将采集数据保存、封装后准备处理；如果传感器监测信息数据需要发送（错误发送标志为1）或上层节点数据需要转发（数据转发标志为1），则向相邻ID加1或减1的节点请求数据传送。当数据发送成功后返回等待，继续判断网络状态和采集传感器数据，设置错误发送标志，等待下一个周期向相邻节点通信模块再次发送。如果没有数据发送，则设置定时器初始化侦听周期，节点模块进入休眠状态。

图6 节点数据发送流程

3 节点差错控制能效仿真

本文在采用不同的卷积码编码方式的情况下，使用MATLAB软件对FEC协议下不同约束长度时的节点数据传输进行模拟。仿真参数是基于Jennic新推出的第三代超低功耗无线传感器模块JN5148。由分析可知，纠错个数增大会使得FEC误码率减小，有利于提高节点能效；但同时也会使代码长度增加，导致译码能耗增大。因此，选择不同的卷积码约束长度，即每次相互关联的数据信息长度不同，节点能耗也有不同的变化。图7给出了不同约

图7 约束长度与数据信息能量关系曲线

束长度下节点能耗关系曲线。

结 语

无线传感器网络通过部署在现场的微型传感器节点，将数据采集、处理后通过自组织无线网络技术把信息传输给汇聚节点，实现对节点部署区域信息的监测。本文针对电力塔监测网络的实际现状，提出了电力塔无线传感器网络的线性组网模型，介绍了电力塔无线传感器网络的节点结构和各模块的设计方法，最后对节点的差错控制能效进行了仿真。

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