無線傳感器網(wǎng)絡在風力發(fā)電中的應用研究

朱正偉 陳宗文 王其紅 朱晨陽

(常州大學信息科學與工程學院1，江蘇 常州 213164;常州信息職業(yè)技術學院自動控制工程系2，江蘇 常州 213164;華中科技大學電子與信息工程系3，湖北 武漢 430074)

0 引言

風能作為一種清潔能源，已經受到人們的廣泛關注;而在風力發(fā)電成為新興產業(yè)的同時，風力發(fā)電場測控的重要性也日益突顯。目前，有相當數(shù)量的風力發(fā)電場應用有線網(wǎng)絡方式進行測控。該方法存在方式鋪設難、維護困難的問題［1］。雖然近期出現(xiàn)了一些基于通用分組無線服務 (general packtet radio service，GPRS)的測控方式［2］，但由于GPRS的資費相對較高以及覆蓋不廣泛等原因，導致該服務不能徹底地解決高投入的難題。因此，低成本、高速率的無線傳輸將是未來風力發(fā)電場測控發(fā)展的趨勢。

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor networks，WSN)是20世紀90年代在美國發(fā)展起來的一項集傳感器、微處理器和無線通信技術于一體的新的信息獲取和信息處理技術。隨著硬件開發(fā)平臺和仿真工具的出現(xiàn)，WSN的研究得到了長足的發(fā)展［3］，特別是在ZigBee技術發(fā)展起來以后，其在通信協(xié)議的分層和網(wǎng)絡節(jié)點的設計、無線通信協(xié)議棧、同步和定位中間件、數(shù)據(jù)融合、低功耗和高安全性設計等技術研究方面又取得了突飛猛進的發(fā)展。隨著WSN的進一步發(fā)展，它在工業(yè)和人們的日常生活中的應用將更加廣泛［4］。

1 總體設計

本課題研究了一種應用在風力發(fā)電場的WSN［5］，采用2.4 GHz免費通信頻段的ZigBee技術進行無線通信。WSN的節(jié)點被設計成兩種節(jié)點，一種是普通的傳感器節(jié)點，主要負責原始數(shù)據(jù)的采集處理以及數(shù)據(jù)的收發(fā);另一種是具有增強功能的傳感器節(jié)點，除了負責數(shù)據(jù)的采集處理以外，還要收集普通節(jié)點數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到主機［6］。

任意一個節(jié)點都主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四個部分組成，其結構示意圖如圖1所示。傳感器模塊主要負責風力發(fā)電機的信息采集和數(shù)據(jù)轉換;數(shù)據(jù)處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作;無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點以及主機進行數(shù)據(jù)傳輸，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù);能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的電量［7］。

圖1 WSN節(jié)點結構示意圖Fig.1 Structural diagram of WSN node

2 處理器模塊

處理器是整個無線傳感器節(jié)點的核心，設備的調度、功能協(xié)調、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)的處理和傳輸?shù)人械牟僮鞫际窃谶@個模塊的支持下完成的。因此，處理器的性能高低將直接影響無線傳感器網(wǎng)絡平臺的整體性能。

TI公司生產的MSP430F1611控制器在處理器功耗和口線輸入電流指標方面在業(yè)界都是最低的。它具有低電壓、超低功耗的特點，工作電壓為1.8～3.6 V，時鐘頻率為1 MHz，耗電電流為0.1 ～400 μA;具有16個中斷源，可任意地嵌套，使用靈活;具有強大的處理功能，16位的RISC結構具有豐富的尋址方式，大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可以參加多種運算;具有高效的查表處理方法和處理速度;具有看門狗復位功能，可提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性［8］。

3 無線通信模塊

在眾多無線通信技術中，IEEE 802.15.4/ZigBee技術是最近發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術，它具有低功耗、低成本和應用性廣泛的特點。因此，ZigBee技術是眾多無線通信技術中有可能應用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控和安全系統(tǒng)等領域的一種成熟技術，它同時也是目前較為符合無線傳感器網(wǎng)絡要求的技術標準。

3.1 通信芯片

TI公司生產的CC2420芯片是面向低電壓、低功耗的 2.4 GHz/IEEE 802.15.4兼容的 RF收發(fā)器。CC2420包括一個提供9 dB、250 kbit/s的直接數(shù)字式頻率合成器 (direct digital synthesizer，DDS)的基帶Modem。CC2420是一個2.4 GHz的高集成度、通用ISM頻段無線傳輸解決方案。利用該芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)適用于向電池長期供電，具有成本低、功耗小、硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活和抗毀性強等特點［8］。

CC2420擁有 CSn、SI、SO、SCLK 四個 SPI通信接口。處理器可以通過這四個接口對CC2420進行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。在接收和發(fā)送信息數(shù)據(jù)時，處理器為CSn引腳提供低電平，進行片選信號的輸入;也可以從SCLK輸入高達10 MHz的時鐘信號，以此來控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性。SI和SO分別是數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。處理器可通過SFD引腳得到數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的時間信息。SFD引腳是接收或者發(fā)送幀的起始位，其在幀起始位傳輸結束后被設置為高電平，這樣才能繼續(xù)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

當處理器處在接收模式下，地址識別功能使能但識別失敗時，SFD引腳立刻設置為低電平;地址識別功能使能且識別成功或者地址識別功能不能使能時，SFD引腳只有在全部數(shù)據(jù)傳送完時才設置為低電平。此外，在CC2420中，與接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)信息有關的兩個信號引腳是FIFO和FIFOP。引腳FIFO在接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)有數(shù)據(jù)時為高電平，相反則為低電平。因此，處理器可以讀取FIFO引腳的電平，以判斷CC2420是否有數(shù)據(jù)。只有當?shù)刂纷R別功能被激活且地址識別成功時，F(xiàn)IFOP引腳才能發(fā)揮作用。當接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)大于設定的門限值或整個數(shù)據(jù)包接收后還未被讀取時，F(xiàn)IFOP為高電平;而當接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)發(fā)生溢出時，F(xiàn)IFO為低電平，F(xiàn)IFOP為高電平。處理器可以根據(jù)讀取FIFO和FIFOP的值來判斷何時讀入數(shù)據(jù)，從而有效地防止處理器在CC2420地址識別成功前讀入無效的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的完整性，從而有效避免接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)的溢出。

3.2 傳輸距離

由于風力發(fā)電場中的每個電機之間相距較遠，因此，網(wǎng)絡通信距離就成了非常重要的指標，如何延長無線傳輸距離就是設計的要點。在一般情況下，需要犧牲一定的功耗來延長傳輸距離。通常影響通信距離的主要因素有以下幾種:天線的收發(fā)功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益以及接收機靈敏度等。本設計采用高增益天線來提高傳輸距離，因為高增益天線體積小、成本低。當采用0增益的天線時，根據(jù)以下公式可知理論傳輸距離值為30 877 m，工作頻率定為434 MHz。

式中:η為天線的效率;S為接收靈敏度;PRF為天線的發(fā)射功率;R為傳輸半徑［8］;λ為所選波波長。

由上式求得的只是理想的傳輸距離，但實際應用值會低于該值。這是由于無線通信受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物和多徑等造成的損耗。如果將這些損耗參考值代入式中計算，就可以得到近似的通信距離。在此，假定大氣、遮擋物等造成的損耗為25 dB，則可計算得出通信距離為1.7 km。這樣的距離在風力發(fā)電場是完全可以接受的。

4 OPNET仿真

Modeler提供了一個開放的環(huán)境，它不僅能夠建立新的協(xié)議和配備，還能夠模擬細節(jié)定義。一個OPNET模型包括節(jié)點、進程和網(wǎng)絡三個層次。節(jié)點是用功能化的模塊和模塊間的數(shù)據(jù)流描述節(jié)點的內部結構;進程是采用有限狀態(tài)機和一些高級編程語言以及OPNET核心函數(shù)說明網(wǎng)絡協(xié)議、應用的算法和應用的進程;網(wǎng)絡是利用節(jié)點鏈路和網(wǎng)絡層信息來描述網(wǎng)絡的拓撲結構［9］。

為模擬風力發(fā)電場的復雜現(xiàn)實環(huán)境，需要創(chuàng)建一個復雜的無線網(wǎng)絡。作為一個無線網(wǎng)絡，信息的發(fā)送和接收都是在多干擾的狀況下進行的。為了增強無線網(wǎng)絡的抗干擾能力，設計了一個高強度的天線，以更好地提高信號接收和發(fā)送的質量［10］。OPNET提供天線模型編輯器(antenna pattern editor，APE)來編輯天線。天線模型用來描述不同方向上的天線增益。天線模型基于地心坐標系統(tǒng)，用兩個角度來表示在地心三維坐標系上的一個方向矢量(x、y平面角為θ，x、z平面角為φ)，以對應這個坐標矢量可以指定一個唯一的信號衰減增益(dB)值。OPNET中的節(jié)點模型編輯器可以編輯網(wǎng)絡節(jié)點。根據(jù)上文的設計，得到的節(jié)點模型如圖 2所示［11－12］。

圖2 節(jié)點模型Fig.2 Node model

OPNET的進程編輯器可編輯無線傳感器節(jié)點的收發(fā)進程。根據(jù)節(jié)點的相關設計，編輯節(jié)點的收發(fā)機制。在接收機制中，其中最重要的是進程模型，其模型如圖3所示。

圖3 進程模型Fig.3 Process model

圖3中，定義了接收機模塊的輸入流。其中接收內部數(shù)據(jù)包宏(PKT_RCVD)判斷進入進程的中斷是否為流中斷，接收外部中斷宏(END_SIM)判斷接收到的中斷是否為仿真中斷。

OPNET的網(wǎng)絡模型編輯器可以編輯一個基于地理位置的網(wǎng)絡模型。新疆的天山地區(qū)擁有豐富的風力資源，并已經得到開發(fā)，所以，該地區(qū)是一個典型的低溫風力發(fā)電機的案例。利用這一區(qū)域作為仿真位置，能夠真實地反映風力發(fā)電場的無線傳感器網(wǎng)絡平臺的特點。設計覆蓋(12×10)km區(qū)域內的網(wǎng)絡模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡模型Fig.4 Network model

為了更真實地反映無線傳感器網(wǎng)絡平臺的性能，將丟包率、接收誤碼率和吞吐量設置為觀察對象，得到的OPNET仿真曲線如圖5所示。

仿真結果表明，該網(wǎng)絡模型具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡吞量，丟包率和接收誤碼率都能保持在一個正常穩(wěn)定的值。這證明該無線傳感器網(wǎng)絡平臺在風力發(fā)電場中運行是可靠的，能夠完成風力發(fā)電場的數(shù)據(jù)測控和數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖5 OPNET仿真曲線Fig.5 Simulation curves of OPNET

5 結束語

本課題設計了一個應用在風力發(fā)電場的無線傳感網(wǎng)絡平臺，并用OPNET仿真軟件建立了一個基于帶有經緯度地圖的無線傳感器網(wǎng)絡模擬環(huán)境;同時，利用OPNET的網(wǎng)絡仿真機制對其性能進行測試。仿真結果表明，該無線傳感器網(wǎng)絡平臺能夠很好地完成風力發(fā)電場的數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)傳輸任務，且運行穩(wěn)定;同時，其能夠有效地減少安裝成本和維護費用，達到了設計的目的，也為無線傳感器網(wǎng)絡的應用提供了參考。

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