李小龍，張志華

（天津水利電力機(jī)電研究所，天津301900）

1 引言

無(wú)線傳感器是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代催生的嶄新的應(yīng)用，它將傳統(tǒng)傳感器采集的信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送到控制端，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)用范圍；比起有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝更迅速，具備極高的擴(kuò)充彈性與鏈接可靠性，同時(shí)無(wú)線供電技術(shù)避免了用電設(shè)備之間通過(guò)導(dǎo)線連接獲取能量過(guò)程中不安全因素。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)中是未來(lái)水電廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)

2.1 系統(tǒng)組成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。在需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)上部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)都可以經(jīng)過(guò)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次傳輸后送至匯聚節(jié)點(diǎn)，最終通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等方式送至管理節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置管理，監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。

2.2 通信協(xié)議

目前有多種主流無(wú)線通信協(xié)議可選擇（見(jiàn)表1），這些通信協(xié)議都有各自的特點(diǎn)。

表1

通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，ZigBee通信協(xié)議是功耗低、傳輸速率低、傳輸距離遠(yuǎn)，低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，最適合水電廠無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用?；贗EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議開(kāi)發(fā)的ZigBee智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一種全新的數(shù)據(jù)處理與傳輸技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Zigbee通信協(xié)議開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自恢復(fù)及通信可靠的能力，支持三種主要的自組網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，即星形結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.3.1 星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)是自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问街凶詈?jiǎn)單的一種，包含一個(gè)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)可以與協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，但是兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不能直接通信，如果兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間需要通信的話(huà)，必須通過(guò)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信。星形結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是由于節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信，數(shù)據(jù)只有唯一的傳輸路徑，協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

2.3.2 樹(shù)形結(jié)構(gòu)

樹(shù)形結(jié)構(gòu)包含一個(gè)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，而它的子節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)也可以連接多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，可以拓展多個(gè)層級(jí)。但是需要設(shè)計(jì)者注意的是，協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)，而終端節(jié)點(diǎn)不能有自己的子節(jié)點(diǎn)。

2.3.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（MESH結(jié)構(gòu)）

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與樹(shù)形結(jié)構(gòu)相似，包含一個(gè)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)，但不同點(diǎn)在于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通信，具有更加靈活的信息路由規(guī)則，相比于樹(shù)型結(jié)構(gòu)具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。這種路由規(guī)則使通信變得更有效率，如果一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，信息可以自動(dòng)的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有更加強(qiáng)大的功能，該結(jié)構(gòu)可以組成更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更加可靠，并且能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)路由。

3 無(wú)線傳感器供電技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境通常比較惡劣，為保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常工作，供電技術(shù)是關(guān)鍵所在。

無(wú)線供電，是一種方便安全的新技術(shù)，通過(guò)非接觸的方式對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行電能傳輸，不需要物理連接，電能就可以傳輸給負(fù)載。與傳統(tǒng)的有線傳輸電能方式相比，無(wú)線供電避免了用電設(shè)備之間通過(guò)導(dǎo)線連接產(chǎn)生電火花、導(dǎo)線破損等不安全因素。目前常用的無(wú)線供電技術(shù)主要有以下三種。

3.1 電波輻射式無(wú)線供電技術(shù)

電波輻射式無(wú)線供電主要是將電能轉(zhuǎn)換成電磁波或激光的形式，由天線發(fā)射，電磁波可以在空間自由傳播，再經(jīng)過(guò)接收天線，將電磁波轉(zhuǎn)換為電能供給負(fù)載使用。此技術(shù)主要是通過(guò)電磁波的形式進(jìn)行傳輸，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的電能傳輸，但電磁波方向性不強(qiáng)，且穿過(guò)障礙物能力較弱，所以能量會(huì)有衰減，長(zhǎng)距離傳輸效率低下，并且會(huì)對(duì)周?chē)斐呻姶泡椛湮廴尽?/p>

3.2 感應(yīng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)

感應(yīng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)是以可分離變壓器或松耦合變壓器為磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電能無(wú)線傳輸。將市電經(jīng)過(guò)AC/DC整流轉(zhuǎn)變成直流電，直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變電路轉(zhuǎn)變成特定頻率的交流電，特定頻率的交流電通過(guò)發(fā)射線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，而接收線圈會(huì)在感應(yīng)磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。應(yīng)用電磁感應(yīng)的原理，傳輸功率可以達(dá)到kW，但傳輸距離比較短，僅為毫米級(jí)，并且由于系統(tǒng)是松耦合或可分離耦合，氣隙會(huì)比較大，使得漏磁和激磁較大。

3.3 磁耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)

磁耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)利用兩個(gè)具有相同頻率的諧振電路，通過(guò)磁場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)電能從供電設(shè)備向用電設(shè)備的無(wú)線傳輸。磁耦合諧振式無(wú)線供電引入了諧振（共振）技術(shù)，使發(fā)射線圈和接收線圈在相同頻率下工作，不僅可以提高能量的傳輸效率，而且可以增加能量傳輸距離。利用近磁場(chǎng)諧振耦合，其輻射小，方向性要求也不高，適合中等距離的傳輸，傳輸效率較高并且能量傳輸不受空間和非磁性障礙物的影響。

磁耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)與上述兩種無(wú)線供電技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）與電磁波原理的無(wú)線供電技術(shù)相比，具有傳輸功率大、傳輸效率高和無(wú)方向性的特點(diǎn)，且傳輸功率從以前的毫瓦級(jí)提高到千瓦級(jí)，傳輸效率也得到大大的提升，可達(dá)到80%；

（2）與電磁感應(yīng)原理的無(wú)線供電技術(shù)相比，具有傳輸距離大，突破了電磁感應(yīng)原理的無(wú)線供電距離僅在毫米級(jí)的限制。

通過(guò)三種無(wú)線供電原理的比較得出，磁耦合諧振式無(wú)線供電比較適用于無(wú)線傳感器供電的方式。由此原理制作的無(wú)線供電裝置可應(yīng)用于無(wú)線傳感器的電能供應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器的無(wú)線供電功能。

4 水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案

水電廠在生產(chǎn)過(guò)程中為保證設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，應(yīng)用到大量傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。水電廠傳感器主要分類(lèi)及應(yīng)用如表2所示。

表2 水電廠傳感器主要分類(lèi)及應(yīng)用

4.1 水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、傳輸協(xié)議、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、工作站等組成。隨著嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，基于Zigbee無(wú)線通信技術(shù)強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，應(yīng)用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖1），將無(wú)線傳感器布置在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)采集前端數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到終端監(jiān)控主機(jī),監(jiān)控主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和分析；監(jiān)控中心也可以將控制、參數(shù)設(shè)置等信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)無(wú)線傳輸給節(jié)點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水電廠自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以靈活的增減不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)物理信號(hào)測(cè)量，檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。

水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 功能特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

（1）無(wú)線測(cè)量：對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)全部傳感器的測(cè)定值；

（2）安裝方便：不需傳輸線纜，安裝使用方便，靈活布放節(jié)點(diǎn)；

（3）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣：沖破了時(shí)間和空間的限制，采用無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)，將采集到的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)，傳輸可靠性高，組網(wǎng)迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大；

（4）無(wú)線供電：避免了用電設(shè)備之間通過(guò)導(dǎo)線連接獲取能量過(guò)程中產(chǎn)生電火花、導(dǎo)線破損等不安全因素。

圖1 水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

伴隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已逐步被實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制當(dāng)中。然而，在國(guó)內(nèi)水電行業(yè)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用還停留傳統(tǒng)的有線傳感器階段，即傳感器一對(duì)一配線，然后集中到中央監(jiān)控設(shè)備階段，給水電廠的布線、運(yùn)行和檢修帶來(lái)極大的麻煩，亟待引入一種新型的、無(wú)線布線的傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、傳輸協(xié)議、組網(wǎng)方式、無(wú)線供電等方面，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探討，提出了水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案，為水電廠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。