无线传感器网络在电力监测中的应用研究

，仲元昌1，韦俊涛2，肖东海11重庆大学通信工程学院，重庆(400030)2重庆大学电气工程学院，重庆(400030)E-mail：[e-mail]摘要：大量的无线传感器网络节点通过自组织的方式构成网络，利用网络节点中各种各样的传感器，能够实时的采集和处理节点覆盖区域内的各种参数。由于电力监测中部分工作环境下人工作业危险，本文提出了用无线传感器网络的方式实现远程监控，提高系统工作效率。介绍传感器节点的结构组成及以CC2420为核心的硬件电路设计，给出了监控终端的软件设计方法。关键词：无线传感器网络；力监测；传感器节点；CC24201．引言无线传感器网络是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物[1]。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并对其进行处理并发送给观察者[2]。无线传感器网络能够广泛应用于军事、远程信息监测、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。电力系统的工作环境复杂多变，存在一定的危险性，无线传感器网络能够摆脱这种困境，实现远程信息监测，具有非常广泛的应用前景。2．传感器网络体系结构无线传感器网络系统的体系架构如图1所示，主要有三部分组成；（1）传感器节点；（2）Sink节点；（3）监控终端。传感器节点具有数据采集、信号处理和无线通信功能，它既是信息帧的发起者，也是信息帧的转发者，通过星型网络自组织和多跳路由，将采集到监测数据向Sink节点发送；Sink节点也称为汇聚节点，将传感器节点传输过来的数据通过串口通信传送到监测中心控制台；监控终端主要完成网络的数据的汇总、管理、查询，发出组网请求，要求指定节点采样数据等功能，分为数据的获取和数据的管理两部分。图1传感器网络系统的体系结构3．无线传感器网络节点结构无线传感器网络节点是传感器网络的最基本组成单位。节点一般由数据采集单元、数据1本课题得到重庆市自然科学基金（CSTC，2006BB2242）的资助。节点节点节点Sink节点监控中心、数据传输单元和电源管理单元四部分组成[3]，如图2所示。数据采集单元负责采集监测区域内的信息并完成数据从模拟值到数字量转换,本设计中数据采集单元包括了温度、湿度和光强度传感器等；数据处理单元负责控制整个传感器网络节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理等，数据处理单元采用AVR低功耗ATmega128微处理器；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；数据传输单元主要由相应的通信协议(主要是MAC协议)及低功耗、短距离的无线通信模块CC2420组成。ATmega128传感器A/D转换存储器CC2420电源数据采集单元数据处理单元数据传输单元Zigbee协议栈TinyOS图2无线传感器网络节点结构框图3.1数据处理单元数据处理器单元是无线传感器网络节点的核心部分，它负责完成能过各种传感器采集环境参数信号，需要采样率很高、数据量大，处理器的选择在节点设计中至关重要。ATmega128为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并目具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。3.2数据传输单元CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用0.18umCOMS工艺生产，具有完全集成的压控振荡器，只需要天线等极少外部元器件，便可确保短距离通信的有效性和可靠性[4]。CC2420频率为2.4GHz，是在免授权的ISM(工业、科研和医疗)频带上进行无线通信的低成本、高集中的解决方案[8]。数据传输单元模块支持数据传输率高达250Kbps，可以实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。CC2420的主要性能参数如下：1)工作频带范围：2.400～2.4835GHz；2)采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；3)数据速率达250kbps，码片速率达2MChip/s；4)采用O-QPSK调制方式；5)超低电流消耗(RX:19.7mATX:17.4mA)，高接收灵敏度(-94dBm)；)抗邻频道干扰能力强(39dB)；7)内部集成有VCO,LNA,PA以及电源整流器，采用低电压供电（2.1～3.6V）；8)IEEE802.15.4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bitCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护（CTR、CBC-MAC、CCM）；数据传输单元CC2420电路如图3所示VCO_GRARD1AVDD_VCO2AVDD_FRE3AVDD_RF14GND5RF_P6TXRX_SWITCH7RF_N8GND9AVDD_SW10NC11NC12NC13AVDD_RF214AVDD_IF215NC16AVDD_ADC17DVDD_ADC18DGND_GUARD19DGUARD20RESETn21DGND22DSUB_PADS23DSUB_CORE24DVDD3.325DVDD1.826SFD27CCA28FIFOP29FIFO30CSn31SCLK32SI33SO34DVDD_RAM35NC36AVDD_XOSC1637XOSC16_Q238XOSC16_Q139NC40VREG_EN41VREG_OUT42VREG_IN43AVDD_IF144R_BIAS45ATEST246ATEST147AVDD_CHP48U1CC2420VCCVCC1.8VCC1.8L1L2L3C2C3C5C4123JP2Header312Y1XTAL27pC627pC743KR1VCC2R210uC8VCC1.8FIFOPFIFOCCASFDCSNSCLKSISORESETNVREG_EN图3数据传输单元CC2420电路设计3.3微处理器与CC2420硬件接口CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持，数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指小和信息包实时资料等，这些特点减少主控制器的工作量，使CC2420可与低成本微处理器相接。图4sTmega128和CC2420接口ATmega128和CC2420的接口电路如图4所示，CC2420通过4总线（SI、SO、SCLk、CSn）与SPI兼容串行接口配置，这时CC2420是受控的[5]。ATmega128的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方，CC2420为从机工作方式。ATmega128的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路是不会自动控制PB0/SS引脚的。因此，在SPI通信时，，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过PB2/MOSI将数据移出ATmega128，并同时从CC2420由PB3/MISO移入数据，8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。3.4传感器网络节点软件设计传感器网络节点上的软件部分主要负责完成对外界数据的采集和控制无线射频收发模块CC2420将采集数据包根据网络协议进行数据打包，然后无线传送SINK节点[6]。网络节点的工作模式遵循从休眠–唤醒–正常工作。在休眠状态下，处理器停止工作，而SRAM，SPI端口以及中断系统正常工作，无线射频收发模块CC2420处于低功耗的接收状态。系统软件编程的基本思路是，先对SPI端口，CC2420控制端口初始化；使能SPI端口、UART端口、使能ADC；对CC2420芯片初始化；在无线射频收发模块接收到SINK节点或是邻近节点发出的指令后，网络节点将被唤醒，处理器对指令进行节点号判断，如果指令的对象是当前节点，则节点进入工作状态，否则网络节点对指令进行转发后进入休眠状态。具体节点的工作流程如图5所示。图5节点工作流程图4．无线传感器网络监控终端数据汇聚4.1数据的获取监控终端软件用于实现数据的汇总、管理、查询，发出组网请求，要求指定节点采样数据等功能，同时需要通过USB口实现和FT232RL芯片的通信。FT232RL具有全握手协议及MODEM接口（CTS、RTS、DTR、DSR、DCD、RI），并且具有硬件及Xon/Xoff流量控制。FTDI公司为基于FT232RL的USB接口提供了新版的基于WindowsCDM(CombinedDriverMode1)构架的驱动程序，该驱动程序使同时安装VCP(VirtualCOMPort)、D2XX(动态链接库)两种驱动程序成为可能．用户可以方便地选择不同驱动程序访问FTDI设备。目前比较成熟的串行通信控件有MSCOMM、SPCOMM、PCCOMM等。本文采用Delphi和SPCOMM来完成基于VCP的监控终端软件设计。利用SPCOMM编写针对串口操作的程序比较容易．它有丰富的与串口通信相关的属性和事件．提供了对串口的各种操作。根据SPCOMM提供的属性、方法、事件．可以完成对虚拟串行口的FT232RL的读写，避开对USB接口本身的操作。，监控终端还有一个很重要的方面，就是对数据库的支持，需要选择合适的数据库来对传输过来的数据进行有效管理。产生了数据库的客户访问技术，即数据库访问技术。在MFC中，提供了对几种数据库访问技术的支持，通常使用ODBC技术，应用MFCODBC类。ODBC是由Microsoft推出的，它为不同种类的数据库的访问提供了统一的接口。ODBC基于SQL，并把它作为访问数据库的标准。这个接口提供了最大限度的相互可操作性：一个应用程序可以通过一组通用的代码访问不同的数据库管理系统，ODBC可以为不同的数据库提供相应的驱动程序。使用MFCODBC类访问数据库非常简单，只需要几条简单的语句就可以实现记录的添加、删除、修改等。在程序界面中可以设置相应的按钮，用来发送命令、接收数据、添加记录等，完成一系列的功能。利用CyAPI.1ib和MFCODBC类可以大大降低开发难度，方便快速地开发出特定的应用。5．总结本文介绍了无线传感器网络的体系结构，针对在电力监测中工作环境差，尤其是在部分环境下进行人为作业危险，采用无线传感器网络实现远程的信息监测，从而很够很快的发现故障所在，避免人为检测的盲目性和危险性。还介绍了传感器节点的结构组成以及监控终端的软件设计。无线传感器网络在远程监测方面有着明显的优势。随着技术的成熟和成本的降低，将具有很好的应用前景和市场前景。[1]lanF.Akyildiz,WeilianSu,YogeshSankarasubramaniam,etal.AsurveyonSensorNetworks[J].IEEECommunicationsMagazine,2002,40(8):102-114.[2]孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社.2005[3]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004,25(4):114-124[4]王秀梅，刘乃安.利2.4GHz射频芯CC2420实现Zig