一种无线传感网络设计

刘 皓

江苏省计量科学研究院

一种无线传感网络设计

刘 皓

江苏省计量科学研究院

随着节能减排工作的推进，信息技术和网络技术与节能减排不断融合，逐渐引领节能减排工作走向精细化、便捷化、高效化的新高度，另一方面，无线传感网作为继互联网之后的第二大网络而被广泛应用，基于无线传感网的能源管理系统由此而应运而生。本文介绍了这种应用于能源管理系统的一种无线传感器网络设计。

能源计量；能源管理系统；无线传感网络

1 前言

随着节能减排工作的推进，信息技术和网络技术与节能减排不断融合，逐渐引领节能减排工作走向精细化、便捷化、高效化的新高度，能源管理系统便是两者相结合的产物。能源管理系统是基于自动化控制系统基础上的一套计算机智能化管理软件平台，该系统能在现场采集各类能耗实时数据，通过网络汇总到计算机进行运算分析，根据分析结果发出操控指令，远程操作现场执行器实现其动作并将结果反馈到系统服务器，从而实现合理有效的能源管理，达到节能的目的。

但是，能源管理系统在实际实施过程中，传统的有线网络布线因受现场条件限制而带来成本的大幅升高，甚至基本无法实现，因此，基于无线传感网的能源管理系统由此而应运而生。与有线网络不同的是，无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是由具有无线通信与计算能力的传感器构成的无线网络，由传感器网络发展而来，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。本文介绍了应用于能源管理系统的一种无线传感器网络设计。

2 无线传感网的拓扑结构和工作流程

本项目将现场计量设备配备无线数传模块，形成采集节点，这些节点是组成无线传感网络的基本单元。按照类型来分，组成无线传感网络的节点可以分为3类：采集节点、中继节点和汇集节点。采集节点采集现场数据后通过无线网络将数据发送到汇集节点，汇集节点把数据转发到数据服务器；同时汇集节点从数据服务器接收反馈信息，通过无线网络将反馈信息传送到采集节点，采集节点对反馈指令进行验证，符合要求后执行反馈指令。中继节点可以根据设定，转发收到的无线网络数据，从而提高了无线传感网络的覆盖范围。在没有采用中继节点时，无线传感网络为星形拓扑结构，其中与数据服务器相连的汇集节点是中心节点，采集节点通过无线与该中心节点连接。

采集节点按照一定的时间间隔读取现场传感器的数据，将该数据打包后通过无线模块发送给汇集节点；汇集节点通过无线模块接收采集节点发送的数据，然后通过串口发送给数据服务器，从而完成数据采集的工作流程，如图1所示。

图1 数据采集工作流

反馈控制的工作流程则是由数据服务器发送反馈指令到汇集节点，汇集节点发送反馈指令到采集节点；采集节点收到反馈指令进行判定后，根据内容做出相应的反馈，如图2所示。

图2 反馈控制工作流

除了采集节点是定时发送数据外，其它节点采用中断方式进行工作，即收到数据触发中断后，才能进入相应处理流程。

3 无线传感网节点设计

无线传感网采集节点由4部分组成：信息采集单元、数据处理单元、无线传输单元和电源供给单元。

信息采集单元负责现场设备的数据采集；数据处理单元是整个采集节点的核心,控制整个采集节点，处理和存储由信息采集单元采集的现场设备数据；无线传输单元负责完成与中继节点或汇集节点之间的数据通信；电源供给单元为整个节点提供运行所需要的电力。本文中的采集节点选择以下方案以实现节点的设计：

（1）因现场设备的数据传输大多数采用串口总线技术，所以信息采集单元应采用基于串口总线技术的模块以满足广泛的要求。同时，采用串口总线技术也降低了数据采集的数据量和节点的功耗；

（2）数据处理单元为了达到采集节点低功耗的要求应选用具有自动休眠功能的处理器模块，当节点在不工作的状态下能自动进入休眠状态，当需要采集或传输数据时自动唤醒；

（3）无线通信单元应该以低功耗、低复杂性、自主组网的要求选用无线通信模块；

（4）为了提高节点的用电效率，进行电源模块的设计时应考虑电源的转换效率,选用转换效率更高的电源转换芯片，降低节点的电耗。目前市面上常见的电源芯片主要有开关电源转换芯片和直流电源转换芯片，其中开关电源转换芯片具有更高的转换效率，能够提高节点的用电效率。

中继节点和汇集节点与采集节点基本类似，主要的区别是：中继节点和汇集节点不需要信息采集单元，但是需要增加路由功能以支持所有的网络拓扑结构，能够完成网络单元的功能。

4 无线传感网数据交互

在本项目中，无线传感网内部的各个节点通过RF射频模块发送和接受无线信号，从而实现相互之间的数据交互。但是，由于所采用的无线频段为开放频段，且各个节点之间也会存在干扰，因此，应该有一定的保护机制以保证数据传输的正确性。同时，为使系统具备一定的可扩展性，本项目设计的数据格式包含6个数据位：Byte1（固定的包头0x7e，用于标志数据和防止干扰）、Byte2（固定的包长度0x04，用于指示实际数据长度，方便程序处理）、Byte3（组ID，现用来区分数据类型，以后可用来对节点分簇）、Byte4（节点ID，指示数据的源节点ID或反馈指令要操作的节点ID）、Byte5（高位数据位，和低位数据位一起用来存放需要传送的数据）、Byte6（低位数据位）。

无线传感网络与外部的数据交互则集中在作为中心节点的汇集节点，该节点不做数据处理，采用上述数据格式完成与数据服务器的数据交互。采用统一的数据格式与交互，可以减少汇集节点的处理逻辑，也方便在数据服务器上进行调试。