朱正偉 陳宗文 王其紅 朱晨陽(yáng)

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，江蘇 常州 213164;常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制工程系2，江蘇 常州 213164;華中科技大學(xué)電子與信息工程系3，湖北 武漢 430074)

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔能源，已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注;而在風(fēng)力發(fā)電成為新興產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)測(cè)控的重要性也日益突顯。目前，有相當(dāng)數(shù)量的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)應(yīng)用有線網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行測(cè)控。該方法存在方式鋪設(shè)難、維護(hù)困難的問(wèn)題［1］。雖然近期出現(xiàn)了一些基于通用分組無(wú)線服務(wù) (general packtet radio service，GPRS)的測(cè)控方式［2］，但由于GPRS的資費(fèi)相對(duì)較高以及覆蓋不廣泛等原因，導(dǎo)致該服務(wù)不能徹底地解決高投入的難題。因此，低成本、高速率的無(wú)線傳輸將是未來(lái)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)測(cè)控發(fā)展的趨勢(shì)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是20世紀(jì)90年代在美國(guó)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)集傳感器、微處理器和無(wú)線通信技術(shù)于一體的新的信息獲取和信息處理技術(shù)。隨著硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和仿真工具的出現(xiàn)，WSN的研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展［3］，特別是在ZigBee技術(shù)發(fā)展起來(lái)以后，其在通信協(xié)議的分層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、無(wú)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(shè)計(jì)等技術(shù)研究方面又取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著WSN的進(jìn)一步發(fā)展，它在工業(yè)和人們的日常生活中的應(yīng)用將更加廣泛［4］。

1 總體設(shè)計(jì)

本課題研究了一種應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的WSN［5］，采用2.4 GHz免費(fèi)通信頻段的ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信。WSN的節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)成兩種節(jié)點(diǎn)，一種是普通的傳感器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)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(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，除了負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理以外，還要收集普通節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到主機(jī)［6］。

任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作;無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)以及主機(jī)進(jìn)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(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的電量［7］。

圖1 WSN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of WSN node

2 處理器模塊

處理器是整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，設(shè)備的調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、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(gè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的整體性能。

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

3 無(wú)線通信模塊

在眾多無(wú)線通信技術(shù)中，IEEE 802.15.4/ZigBee技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種近距離無(wú)線通信技術(shù)，它具有低功耗、低成本和應(yīng)用性廣泛的特點(diǎn)。因此，ZigBee技術(shù)是眾多無(wú)線通信技術(shù)中有可能應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控和安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的一種成熟技術(shù)，它同時(shí)也是目前較為符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 通信芯片

TI公司生產(chǎn)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(gè)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(gè)2.4 GHz的高集成度、通用ISM頻段無(wú)線傳輸解決方案。利用該芯片開(kāi)發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)適用于向電池長(zhǎng)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(qiáng)等特點(diǎn)［8］。

CC2420擁有 CSn、SI、SO、SCLK 四個(gè) SPI通信接口。處理器可以通過(guò)這四個(gè)接口對(duì)CC2420進(jìn)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(shí)，處理器為CSn引腳提供低電平，進(jìn)行片選信號(hào)的輸入;也可以從SCLK輸入高達(dá)10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，以此來(lái)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(guò)SFD引腳得到數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的時(shí)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(jié)束后被設(shè)置為高電平，這樣才能繼續(xù)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)處理器處在接收模式下，地址識(shí)別功能使能但識(shí)別失敗時(shí)，SFD引腳立刻設(shè)置為低電平;地址識(shí)別功能使能且識(shí)別成功或者地址識(shí)別功能不能使能時(shí)，SFD引腳只有在全部數(shù)據(jù)傳送完時(shí)才設(shè)置為低電平。此外，在CC2420中，與接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)信息有關(guān)的兩個(gè)信號(hào)引腳是FIFO和FIFOP。引腳FIFO在接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)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(dāng)?shù)刂纷R(shí)別功能被激活且地址識(shí)別成功時(shí)，F(xiàn)IFOP引腳才能發(fā)揮作用。當(dāng)接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的門限值或整個(gè)數(shù)據(jù)包接收后還未被讀取時(shí)，F(xiàn)IFOP為高電平;而當(dāng)接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)發(fā)生溢出時(shí)，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(lái)判斷何時(shí)讀入數(shù)據(jù)，從而有效地防止處理器在CC2420地址識(shí)別成功前讀入無(wú)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(chǔ)區(qū)的溢出。

3.2 傳輸距離

由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中的每個(gè)電機(jī)之間相距較遠(yuǎn)，因此，網(wǎng)絡(luò)通信距離就成了非常重要的指標(biāo)，如何延長(zhǎng)無(wú)線傳輸距離就是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。在一般情況下，需要犧牲一定的功耗來(lái)延長(zhǎng)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(jī)靈敏度等。本設(shè)計(jì)采用高增益天線來(lái)提高傳輸距離，因?yàn)楦咴鲆嫣炀€體積小、成本低。當(dāng)采用0增益的天線時(shí)，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(zhǎng)。

由上式求得的只是理想的傳輸距離，但實(shí)際應(yīng)用值會(huì)低于該值。這是由于無(wú)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(jì)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(jì)算得出通信距離為1.7 km。這樣的距離在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)是完全可以接受的。

4 OPNET仿真

Modeler提供了一個(gè)開(kāi)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(xì)節(jié)定義。一個(gè)OPNET模型包括節(jié)點(diǎn)、進(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)三個(gè)層次。節(jié)點(diǎn)是用功能化的模塊和模塊間的數(shù)據(jù)流描述節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu);進(jìn)程是采用有限狀態(tài)機(jī)和一些高級(jí)編程語(yǔ)言以及OPNET核心函數(shù)說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、應(yīng)用的算法和應(yīng)用的進(jìn)程;網(wǎng)絡(luò)是利用節(jié)點(diǎn)鏈路和網(wǎng)絡(luò)層信息來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［9］。

為模擬風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的復(fù)雜現(xiàn)實(shí)環(huán)境，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。作為一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，信息的發(fā)送和接收都是在多干擾的狀況下進(jìn)行的。為了增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)了一個(gè)高強(qiáng)度的天線，以更好地提高信號(hào)接收和發(fā)送的質(zhì)量［10］。OPNET提供天線模型編輯器(antenna pattern editor，APE)來(lái)編輯天線。天線模型用來(lái)描述不同方向上的天線增益。天線模型基于地心坐標(biāo)系統(tǒng)，用兩個(gè)角度來(lái)表示在地心三維坐標(biāo)系上的一個(gè)方向矢量(x、y平面角為θ，x、z平面角為φ)，以對(duì)應(yīng)這個(gè)坐標(biāo)矢量可以指定一個(gè)唯一的信號(hào)衰減增益(dB)值。OPNET中的節(jié)點(diǎn)模型編輯器可以編輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)上文的設(shè)計(jì)，得到的節(jié)點(diǎn)模型如圖 2所示［11－12］。

圖2 節(jié)點(diǎn)模型Fig.2 Node model

OPNET的進(jìn)程編輯器可編輯無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的收發(fā)進(jìn)程。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)，編輯節(jié)點(diǎn)的收發(fā)機(jī)制。在接收機(jī)制中，其中最重要的是進(jìn)程模型，其模型如圖3所示。

圖3 進(jìn)程模型Fig.3 Process model

圖3中，定義了接收機(jī)模塊的輸入流。其中接收內(nèi)部數(shù)據(jù)包宏(PKT_RCVD)判斷進(jìn)入進(jìn)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(luò)模型編輯器可以編輯一個(gè)基于地理位置的網(wǎng)絡(luò)模型。新疆的天山地區(qū)擁有豐富的風(fēng)力資源，并已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)，所以，該地區(qū)是一個(gè)典型的低溫風(fēng)力發(fā)電機(jī)的案例。利用這一區(qū)域作為仿真位置，能夠真實(shí)地反映風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)覆蓋(12×10)km區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Network model

為了更真實(shí)地反映無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的性能，將丟包率、接收誤碼率和吞吐量設(shè)置為觀察對(duì)象，得到的OPNET仿真曲線如圖5所示。

仿真結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)模型具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)吞量，丟包率和接收誤碼率都能保持在一個(gè)正常穩(wěn)定的值。這證明該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中運(yùn)行是可靠的，能夠完成風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)測(cè)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(jié)束語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并用OPNET仿真軟件建立了一個(gè)基于帶有經(jīng)緯度地圖的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境;同時(shí)，利用OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真機(jī)制對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。仿真結(jié)果表明，該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能夠很好地完成風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，且運(yùn)行穩(wěn)定;同時(shí)，其能夠有效地減少安裝成本和維護(hù)費(fèi)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，也為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了參考。

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