WiFi承載Modbus的無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計及應(yīng)用

姚 云,顏 佳,付彥偉,張鑫瑤,易建波

(1.國能大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司,四川成都 614700;2.電子科技大學(xué),電力系統(tǒng)廣域測量與控制四川省重點實驗室,四川成都 611731)

0 引言

隨著現(xiàn)代測量和信息技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)的運行和管理向信息化、智能化方向發(fā)展。水電站占地面積大、設(shè)備種類多,傳統(tǒng)監(jiān)測方式容易引起施工及布線復(fù)雜等問題,因此亟需提升電站設(shè)備的監(jiān)測和管理水平。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1-3](wireless sensor network,WSN)融合分布式信息處理技術(shù),具有多重監(jiān)測、數(shù)據(jù)全面、組網(wǎng)靈活、互動友好等優(yōu)勢,能簡化測量設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò),節(jié)約施工材料與成本,是提升設(shè)備監(jiān)測和管理水平的優(yōu)勢技術(shù)。目前水電站中大量輔機(jī)裝置的測量、組網(wǎng)、傳輸協(xié)議、通信鏈路等技術(shù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),其無線傳感系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用尚需深入研究。

近年來,很多現(xiàn)代工業(yè)場景都有成熟的WSN技術(shù)應(yīng)用案例。文獻(xiàn)[4]將ZigBee技術(shù)用于礦井救援機(jī)器人設(shè)計,可遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)多個機(jī)器人同時展開救援行動。文獻(xiàn)[5-7]利用WiFi構(gòu)建智能家居識別及控制系統(tǒng),根據(jù)數(shù)據(jù)幀差異區(qū)分設(shè)備,實現(xiàn)手機(jī)端控制多個設(shè)備。文獻(xiàn)[8]將NFC與WiFi智能家居控制相結(jié)合,實現(xiàn)手機(jī)與智能家居產(chǎn)品云端連接,簡化無線配網(wǎng)流程。文獻(xiàn)[9]提出超寬帶小型車載自組網(wǎng)的鏈路優(yōu)化算法,解決了原本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)速度慢、信道易阻塞的問題。文獻(xiàn)[10-11]將WSN技術(shù)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測,采用拋灑節(jié)點的方式實現(xiàn)了大面積數(shù)據(jù)采集與控制,突破了傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)受地理條件、監(jiān)測范圍、布線安裝等方面的局限?？梢?將WSN用于現(xiàn)代工業(yè)場景已是一種高效、先進(jìn)的監(jiān)測和管理方法。由于各類應(yīng)用場景的通信條件不同,需要定制專有的數(shù)據(jù)封裝和通信鏈路協(xié)議體系,優(yōu)化組網(wǎng)和控制邏輯,進(jìn)而提升WSN技術(shù)在應(yīng)用場景中的實用性。

針對大型水電站繁雜的設(shè)備監(jiān)測和管理應(yīng)用場景,本文提出WiFi網(wǎng)絡(luò)承載Modbus協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方案,實現(xiàn)對輔機(jī)設(shè)備的狀態(tài)在線監(jiān)測。文中首先分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組成框架,結(jié)合水電站的實際情況,對現(xiàn)有WiFi協(xié)議進(jìn)行改造,詳細(xì)設(shè)計Modbus數(shù)據(jù)嵌入WiFi數(shù)據(jù)幀的具體過程,同時對組網(wǎng)流程進(jìn)行簡化和規(guī)范。最后對設(shè)計的協(xié)議體系進(jìn)行應(yīng)用測試,驗證該協(xié)議對水電站復(fù)雜的設(shè)備監(jiān)測需求具備可行性和可靠性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

基于目前大型水電站內(nèi)的無線WiFi、4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況,本文設(shè)計了一套適用于水電站分布式輔機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示,首先對站內(nèi)分布式輔機(jī)設(shè)備劃分監(jiān)測區(qū)域并部署傳感節(jié)點,周期性實時采集設(shè)備的振動、溫度、電氣工況等狀態(tài)信息。節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)封裝后通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測系統(tǒng),由監(jiān)測人員進(jìn)行分析,將數(shù)據(jù)送入局域網(wǎng),實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)多用戶數(shù)據(jù)共享[12-14]。監(jiān)測人員也可向節(jié)點下發(fā)指令,調(diào)取實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)框架

在WSN的設(shè)計過程中,通信協(xié)議的構(gòu)建尤為重要,時序和語法是通信協(xié)議的核心內(nèi)容。時序是指協(xié)議的流程,直接影響著指令的響應(yīng)速度,進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的時延;語法則規(guī)定了消息的封裝格式,數(shù)據(jù)包的Payload Type越多,傳輸效率越高。因此,根據(jù)水電站的分布式應(yīng)用環(huán)境和節(jié)約成本的需求,本文對通信協(xié)議的流程和數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行改造,以提高WSN在水電站監(jiān)測中的使用效果。

2 WiFi承載Modbus協(xié)議

水電站監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用多跳路由模式,直接采用現(xiàn)有WiFi協(xié)議流程和封裝格式不僅難度較大,且容易在跳轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)丟包、擁塞等狀況。本節(jié)首先對WiFi數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問(medium access control,MAC)層[15]協(xié)議流程進(jìn)行了簡化,對WiFi幀進(jìn)行定制化改造,將增加的Payload Type分配給數(shù)據(jù)內(nèi)容字段,最后將Modbus數(shù)據(jù)幀嵌入WiFi數(shù)據(jù)幀中。

2.1 協(xié)議流程設(shè)計

WiFi數(shù)據(jù)鏈路層的核心在于MAC層的協(xié)議制定,MAC層定義了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和封裝格式,約束了信道的訪問和使用方式,因此MAC層的協(xié)議流程和封裝格式直接決定著網(wǎng)絡(luò)的通信性能[16-18]。由于該WSN是多節(jié)點協(xié)同工作的分布式網(wǎng)絡(luò),因此MAC層的協(xié)議也必然是分布式結(jié)構(gòu)。首先對MAC協(xié)議流程的消息類型和節(jié)點狀態(tài)進(jìn)行定義,如表1所示。

表1 時序定義

對于任意一組節(jié)點,假設(shè)A節(jié)點為信源節(jié)點,B節(jié)點為信宿節(jié)點,節(jié)點的協(xié)議流程如圖2所示。

圖2 MAC協(xié)議流程

(1)當(dāng)A、B均未發(fā)收到任何命令時,均處于Q狀態(tài);

(2)當(dāng)A向B發(fā)送RS消息,A由Q狀態(tài)轉(zhuǎn)換到WCS;B判斷消息目的地址是否為自己,若地址正確,B由Q狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至WDA,并向A發(fā)出CS消息表示信道可用;

(3)若A收到B發(fā)出的CS消息,表明當(dāng)前信道空

閑,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;

(4)當(dāng)A向B發(fā)送DA時,A跳轉(zhuǎn)至WACK狀態(tài);B對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗,若數(shù)據(jù)正確,則向A返回ACK消息;

(5)當(dāng)A收到B回應(yīng)的ACK消息,表明本次數(shù)據(jù)傳輸完成,A、B回到Q狀態(tài),等待下一次的數(shù)據(jù)傳輸。

該協(xié)議流程刪減了原來WiFi流程中的競爭和緩沖狀態(tài),信源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時只需發(fā)送一次請求來判斷信道是否空閑,當(dāng)收到信宿節(jié)點的回復(fù)后就可直接發(fā)送數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的WiFi通信MAC協(xié)議交互流程,新流程下信源和信宿節(jié)點響應(yīng)速度更快,數(shù)據(jù)傳輸處理時間和轉(zhuǎn)發(fā)時延顯著降低。

2.2 數(shù)據(jù)幀設(shè)計

對于MAC數(shù)據(jù)幀的封裝格式,首先將原有數(shù)據(jù)幀進(jìn)行簡化,將多余字節(jié)分配給數(shù)據(jù)內(nèi)容字段,再將Modbus幀嵌入WiFi數(shù)據(jù)幀中,利用WiFi協(xié)議來承載Modbus協(xié)議,改造后的數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。在表2的封裝格式下,數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳輸是采用透傳模式,WiFi設(shè)備不會修改和處理內(nèi)嵌的Modbus數(shù)據(jù)包,而Modbus指令也不會對WiFi的傳輸結(jié)構(gòu)造成影響。

表2 WiFi承載Modbus的MAC數(shù)據(jù)幀格式

一條WiFi數(shù)據(jù)幀最多有1 500字節(jié),一條Modbus幀最多有256字節(jié),因此一條WiFi數(shù)據(jù)包可嵌入5條Modbus數(shù)據(jù)包,一條WiFi數(shù)據(jù)幀一次可傳輸5條Modbus幀,數(shù)據(jù)在WSN網(wǎng)絡(luò)中傳輸時,消息幀數(shù)目大幅減少,出現(xiàn)擁塞狀況的概率降低。對消息類型進(jìn)行簡化后,幀控制位只有4種代碼,識別更簡便。Duration/ID位、目的地址、源地址和FCS校驗碼,均沿用原來WiFi的格式。

Modbus的設(shè)備地址根據(jù)廠房數(shù)目和編號進(jìn)行設(shè)置(見表2),在該系統(tǒng)下,只用前5個功能碼就足夠指示所有的指令,所以不對05之后的編號進(jìn)行定義。該水電站監(jiān)測系統(tǒng)主要會用到03號功能碼,例如節(jié)點向上位機(jī)發(fā)送幀：01H 03H 0000H 0005H 85C9H,表示上位機(jī)需要反饋寄存器首地址為0000H后的5個寄存器數(shù)據(jù)。

由于Modbus數(shù)據(jù)幀沒有起始和結(jié)束符,所以規(guī)定2條Modbus幀發(fā)送有4個字符的停頓間隔[19]。新的Modbus幀在小于該時間間隔發(fā)送,接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一幀的延續(xù),這會導(dǎo)致CRC校驗出錯,數(shù)據(jù)接收失敗。

3 無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸流程

為實現(xiàn)分散測點的無線數(shù)據(jù)采集,還需對組網(wǎng)流程進(jìn)行規(guī)范,WSN網(wǎng)絡(luò)組建和數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示,流程主要分為4個模塊：WiFi網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、Modbus組幀、數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸流程

WiFi網(wǎng)絡(luò)初始化[20](步驟1～9)首先確認(rèn)一個全功能節(jié)點(full function device,FFD),再向外發(fā)送信標(biāo)(Beacon)請求命令,并設(shè)置掃描期限T。掃描期限內(nèi)沒有檢測到信標(biāo),則確定該節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,并選定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)(步驟11～17)是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸?shù)那疤幔汗?jié)點掃描附近的協(xié)調(diào)器并發(fā)出入網(wǎng)申請,協(xié)調(diào)器收到請求后根據(jù)情況決定是否同意連接。Modbus執(zhí)行[21](步驟19～22)先對串口進(jìn)行初始化,再進(jìn)行測試,測試正確即可給從機(jī)發(fā)送指令,節(jié)點執(zhí)行指令并向主機(jī)反饋結(jié)果。

網(wǎng)絡(luò)組建完成后開始執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸流程(步驟25～27),將數(shù)據(jù)按表2的格式進(jìn)行封裝,再按圖1的數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行傳輸。在該流程下,WSN組網(wǎng)便捷,且極具延展性,后續(xù)若要擴(kuò)大組網(wǎng)規(guī)模,只需增加子節(jié)點數(shù)目和分布范圍。

4 應(yīng)用測試與分析

基于上文提出的無線傳輸協(xié)議體系,構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于大渡河枕頭壩水電站。本節(jié)對應(yīng)用系統(tǒng)的分散測點監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目尚行?、可靠性進(jìn)行測試并分析傳輸效率和最佳傳輸工況。

枕頭壩水電站需監(jiān)測的輔機(jī)設(shè)備分布于上下8層、42個分散采集區(qū)域,WiFi無線路由中繼設(shè)備共56臺,數(shù)據(jù)經(jīng)無線路由跳轉(zhuǎn)頻次2～16次不等。無線通信可行性測試選擇10個分散區(qū)域的排水泵、壓油泵振動數(shù)據(jù),每個測點1000組數(shù)據(jù),共收集10 000組數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)WiFi所有信道(14條)均為本次任務(wù)服務(wù),且不存在外源數(shù)據(jù)信道占用的情況下,設(shè)置TTL(Time-To-Live)為1 s,不同頻域有效帶寬對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч鐖D4所示。

圖4 不同頻域帶寬下數(shù)據(jù)傳輸效果

由圖4的測試結(jié)果統(tǒng)計可知,無線數(shù)據(jù)的傳輸速率與頻域有效帶寬成正比,當(dāng)頻域帶寬達(dá)到100 MHz(時域800 Mbps)時,無線數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)61 Mbps。但是,提升帶寬也導(dǎo)致了丟包率顯著上升,甚至在無外源數(shù)據(jù)信道占用的情況下超過了1%。造成該情況的主要原因是帶寬越高,穿透性越差,傳輸距離越短,水電站監(jiān)測設(shè)備多且分散,數(shù)據(jù)包跳轉(zhuǎn)次數(shù)增加,造成多路衰落導(dǎo)致信號衰減,累計時延增加,時延超過1 s后,節(jié)點自動丟包。目前站內(nèi)還存在智能頭盔、圖像監(jiān)視、智能巡檢等設(shè)備需要使用無線網(wǎng)絡(luò),在信道載荷加重的情況下,丟包率將進(jìn)一步上升,嚴(yán)重影響設(shè)備監(jiān)測的可靠性。

鑒于本系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集測點分散、數(shù)據(jù)密度低的傳輸特點,為了增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性和傳輸效率,結(jié)合圖4的測試結(jié)果,采用40 MHz的頻域有效帶寬(時域300 Mbps)最適合水電站輔機(jī)設(shè)備無線數(shù)據(jù)傳輸,在無外源數(shù)據(jù)干擾的情況下平均網(wǎng)絡(luò)時延25 ms,綜合性能最可靠。

考慮應(yīng)用系統(tǒng)所在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中還存在諸多共用信道的無線系統(tǒng),數(shù)據(jù)傳輸時經(jīng)常會存在信道占用的情況。在系統(tǒng)設(shè)定無線帶寬工況40 MHz條件下,同樣采集并傳輸分散源點10×1000組振動數(shù)據(jù),當(dāng)載荷競爭條件下信道數(shù)目不同時,系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅軠y試結(jié)果如表3所示。

表3 信道數(shù)目對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/p>

測試結(jié)果表明：隨著有效帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)載荷量的上升,本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可用信道數(shù)目減少,平均網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率顯著上升,當(dāng)丟包率超過2.5%時,系統(tǒng)無法正常工作。在原有設(shè)定的TTL閾值1 s狀態(tài)下,針對上述丟包率過高的問題,本文采取提高TTL延拓設(shè)定策略,當(dāng)數(shù)據(jù)透傳中出現(xiàn)超時延門限丟包時,以500 ms時間片間隔延長TTL設(shè)定值,降低丟包率。

從表3測試結(jié)果可見,當(dāng)可用信道數(shù)目較多時,采用1次延拓就可將丟包率降到0。當(dāng)可用信道數(shù)目為7條時,丟包率降到0需要對TTL進(jìn)行2次延拓。當(dāng)可用信道數(shù)目過少時,為了兼顧數(shù)據(jù)的時效性和完整性,在閾值達(dá)到4 s后,不再對TTL進(jìn)行延拓,將丟包率控制在0.08%內(nèi)。測試證明提高TTL延拓設(shè)定策略在保證數(shù)據(jù)的時效性下,可有效降低系統(tǒng)的丟包率,確保本系統(tǒng)在水電站設(shè)備監(jiān)測中的可靠性。

5 結(jié)論

本文借助WSN技術(shù)的先進(jìn)性,提出了WiFi協(xié)議承載Modbus協(xié)議的無線通信改造方案,構(gòu)建了水電站輔機(jī)設(shè)備的無線傳感監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)。通過對WiFi數(shù)據(jù)幀的定制化改造和應(yīng)用系統(tǒng)的測試分析,驗證了本文所設(shè)計的WSN通信協(xié)議兼具工業(yè)數(shù)據(jù)無線透傳和高速大容量數(shù)據(jù)傳輸特性,具有良好的可行性和傳輸可靠性。選擇40 MHz的有效帶寬,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在信道占用的情況,采用TTL延拓設(shè)定策略,可以兼顧數(shù)據(jù)的時效性和完整性。本文設(shè)計的系統(tǒng)可應(yīng)用于廠區(qū)面積廣、設(shè)備復(fù)雜的工業(yè)監(jiān)測場景。