基于WirelessHART技术的电力无线传感网络设计

（国网河南省电力公司鹤壁供电公司，鹤壁 458000）

0 引言

近年来，WSN的路由协议设计成为研究的热点。WSN的路由与其他网络有很大不同，因为WSN的节点都是由电池提供能量，所以在 WSN的路由设计中要消耗大量的能量。WSN主要应用于监测领域，数据流以收敛为主，即从周围源节点向中心汇聚节点。网络拓扑在某些应用领域中并不是静态的，新的节点将不断增加，对于旧节点死亡，则要求路由协议具有一定的适应性[1]。电力采集是传统的，通常依靠手工抄表或现场总线向上位机传送电能表数据，线路连接费用高，难以与多系统数据交互[2]。电力采集方面，采用ZigBee技术改造有线电能表，建立无线通信网。但是在ZigBee中，由于通信距离短、抗干扰性差，仪器信号传输的可靠性较低；仪器通过LoRa技术进行远程分组，但是数据请求和响应周期很长，网状监测系统缺乏实时数据支持。针对这一问题，提出了基于WirelessHART技术的电力无线传感网络设计。通过测试无线传感器节点关键参数和性能，不仅提高了网络鲁棒性，而且降低了网络功耗。

1 电力无线传感网络结构设计

安装在电压和电流互感器负载端的无线测量装置，可以完成电流、电压、功率和电流参数的数据采集和无线传输。图1中显示了整个网络结构。

图1 电力无线传感网络结构

每个测量单元采用无线 HART模块作为无线节点，与其它测量仪组成自组织、在完成与节点的初始通信之后，节点将与区域内的网络进行通信。

WirelessHART WirelessGateway任务是建立和管理数据传输的无线网络，Wireless通过Hart命令发送主动请求，在仪表存储了所采集的电流、电压、功率等测量数据后，并与无线网关中的各个无线传感器网络进行通信[3]。仪表建立通讯链路，利用MODBUS或OPC通信获取仪器当前测量值，把整个无线传感器网络节点的数据集成到数据服务器或存储服务器上，对无线网关功耗信息进行实时存储，配置E-R图和数据存储方式，生成功耗报告，建立功耗数据模型。

1.1 变送器

本实用新型的主要功能是将流经流量传感器的模拟信号转化为数字信号，实现数据传输。为实现该方案，变送器硬件采用模块化设计，其主要包括流量计的控制板和无线通讯板两部分。图2中显示了无线传感器网络的变送器结构。

图2 变送器结构

图2显示了基本的硬件模块设计，该变送器的硬件设计主要是为了采集流量传感器的数量。在主机通过命令查询流量信息时，主机向主机发送所收集的信息。从硬件设计的角度看，硬件设计的优劣直接决定了流量数据的准确性[4]。综合考虑模块的可靠性、功率和功耗，通过模拟电路完成I/V转换，该数据采集模块将4～20毫安的模拟电流信号转换成0～5V的向MSP430F149的ad端口P6发送模拟电压信号；选择AT24C512芯片支持I2C，存储器的比特是512K，换言之，它能储存512K（524288 byte），能被擦除和写入100次，数据能存储100年。该接口模块提供通用RS232接口连接到无线通讯板，sp232支持RS232[5]。sp232是一种单组驱动/接收器，它包括一个由单个5V电源提供能量的电容电压发生器，可获得 EIA/TIA-232-E等级。

1.2 无线HART适配器

无线HART适配器是根据市场需求而设计的，对传统的有线HART仪器来说，系统地采用有线HART仪器，使之与有线HART网络相连。所以升级系统时，系统中的适配器必须兼容HART和WirelessHART通信，并且通过HART命令就可以直接设置和处理。另外，由于适配器不总是在工作状态下使用干电池，所以要延长电池寿命，必须将适配器设计成低功率[6]。因此，必须选择如图3所示的低功率和睡眠模式硬件。

图3 适配器结构

由图3可知，使用efm32gg230f512芯片的CPU，主要负责存储数据，而发送端使用at86rf233无线模块，主要通过FSK调制解调器调节锂电池电压。

1.3 无线电能表

智能电表是智能电网终端，与传统意义上的电能表不同，使用三相四线制无线传输方式，在数据采样时，电压相位与表端相连，中性点与接地端相连，电流互感器的输出结果与采样相位相同。为了适应智能网络，该电能表还具有双向计费功能，可控制用户终端和多种数据传输模式，防止偷窃现象发生。互感式线圈模拟信号预处理芯片选用Att7022e以及输出活动脉冲、脉冲反应、明显脉冲和基极通过7路模/数转换器，用来精确测量相电压、相电流、有功功率等数字信号，并使用脉冲信号捕捉三相电力系统设备的功率因数。

智能仪表有TTL串口，通过串口与efm32gg230f512芯片通讯，控制器用于控制串口输入输出，形成完整的线框。智能电表内附开关，在断电情况下，表内数据依然可以保存较长时间，通过LED双显示功能，可查看计度器用电量和剩余电量及其他相关信息。在HART7.6协议中，整个传感器网络由WiFi网关组成，支持所有现场设备指令发送和突发模式。外设提供 TTL与RS485接口，实现串口与外设的全双工通讯。

1.4 电源电路

主要负责为KIA7818AP芯片供电，能够保护主板正常工作，为保证每个模块安全稳定运行提供电力。供电方式主要分为两种，一种是线性供电方式，利用三极管电压反馈，为电源提供电力；另一种是开关供电方式，根据饱和区域电压变化情况，为电源提供电力。由于线性电源技术相对成熟，生产成本低，稳定性高，所以在电源设计中采用线性电源模式。功率电路的主要功能是把24伏特的场压转换成3.3伏特和5伏特的工作电压。因为各个模块芯片工作电压不同，所以，设计一个如图4所示的电源电路来控制电路输出功率。

图4 电源电路

从图4可以看出，输入引脚1kia7818ap与电容C1并联，电容为0.1uf。电容C1能过滤24V的高频脉冲信号，输出口3关联l0uF的容量，由于充放电的特性，电解电容使整流后脉冲直流电压达到一个相对稳定水平，其它电容与电解电容在电路中作用是相同的。

2 电力无线传感网络软件设计

2.1 网关无线通信程序

基于无线通信程序的无线Hart设备结点软件设计，本网络主要负责设备节点和网关间通讯。图5显示了网关程序流程图。

图5 网关无线通信程序流程

由图5可知，该过程首先对硬件和WirelessHART协议栈进行初始化，然后由网络管理员创建新的WirelessHART网络，建立网络标识，添加密钥和信道映射表，开启全局中断，启动无线监控状态，等待设备节点连接；在连接网络之后，发送一个网络访问请求并验证连接键。成功访问网络后，记录网络ID和信道映射表；设备节点接二连三地加入网络，设备节点空闲时休眠，起床后，进入通讯状态，根据各自功能向网关发送数据。在终端节点反馈传感器信号时，网关通过串口向主机发送传感器信号。

2.2 数据发送

在数据发送阶段，不同节点通过多跳将数据包上传到sink节点中，通过分布式路由协议将每个节点所接收的数据包发送出去，再选择性地将数据包依次发送给各个邻近节点，以确保传输过程中数据包离接收节点更近。节点的邻接点可分为三类：梯度值较小的节点为父节点；相邻节点的梯度值等于或大于相邻节点的子节点称为兄弟节点。为保证跳数最小，避免数据的搜索、传输和传递，所有的父节点都被选为候选中继节点。若在通讯范围内没有工作父节点，则选择所有兄弟节点作为替代中继。

根据式(1)评估所有候选节点质量，设需要评估的候选节点为x：

式(1)中，Efun（x）表示数据发送能量迭代函数，α为该函数下决策权重；RSS表示发送数据同节点间信号强度，β为该强度下决策权重。

Efun（x）能够评估候选节点自身能量和电池使用情况，定义为：

式(2)中，E表示节点x当前电池剩余能量；initialenergy表示初始能量；k表示0.5～1之间的常数；y表示中继节点。

Efun（x）是迭代计算的结果，当Efun（x）值梯度为1时，表示节点剩余电池电量百分比；当Efun（x）值梯度为2时，表示所有节点幂次百分比之和。因为k在0.5～1之间，耗电量越快，所以中线受梯度点能量影响越大，且能量梯度小。在此基础上进行迭代计算，该数值能够描述多个节点上的能耗。设RSS表示路由质量一重要参考指标，该指标表示候选中继点与发送点之间的信号强度，RSS值越大，信道受到干扰影响就越小，这种低干扰信道在传输可靠性方面更加可靠。利用RSS协议，数据发送节点可以在传感器网络中实现电源的传输，功率可调，节省电池能量。

3 网络测试

为了验证基于WirelessHART技术的电力无线传感网络设计合理性，进行网络测试。

3.1 无线通信距离测试

对所设计的电力无线传感网络最大通信距离测试，主要是为了验证使用WirelessHART技术设计方案的合理性。通过设置测试节点在不同环境的测试模式，分析其通信能力，整个控制装置可以输出4～20mA电流信号，具有较高的控制精度，使用方便的特点。

在不同通信环境下，分别使用ZigBee技术、LoRa技术和WirelessHART技术设计的网络测试无线通信最大距离，如图6所示。

图6 不同技术下无线通信最大距离测试结果对比分析

由图6可知，使用ZigBee技术在四种工况环境下，与期望值最大相差40m；使用LoRa技术在四种工况环境下，与期望值最大相差58m；使用WirelessHART技术在四种工况环境下，与期望值一致，由此可知，使用该技术通信距离较远，且与预期值一致。

3.2 数据传输精度测试

采用DCS控制系统测试无线 shart设备节点的精度，由于输出电流信号准确，所以选用DCS控制系统，并与WirelessHART装置兼容。AO输出端口的输出范围在DCS输出配置参数设置中为百分比。

在AO的4个输出端口处，分别使用ZigBee技术、LoRa技术和WirelessHART技术测试端口电流数据，如图7所示。

图7 不同技术下数据传输精度测试结果对比分析

由图7可知，使用ZigBee技术与理想电流数据最大差7mA；使用LoRa技术与理想电流数据最大差7.5mA；使用WirelessHART技术与理想电流数据最大差1mA，由此可知，使用该技术数据传输精度较高，与理想电流最为接近。

4 结语

设计的基于WirelessHART技术的电力无线传感网络，功耗低、精度高，使用HART命令与WirelessHART设备相结合，实现了传感网络数据的无线传输。通过实验验证了该网络信号传输距离长、数据传输精准度高，是一个十分可靠的网络结构。

该无线网络实现了无线网络运行所需的基本功能，接下来将改善网络的其他功能，增强安全性，并根据应用需要修改和调整现有的协议栈。在今后研究进程中，集中力量扩大无线网络规模和吞吐量，改进网络传输协议细节，网络和通信资源的中央管理。设置一个应用服务器在后台，通过因特网实现对无线网络和设备的远程监控。