水电厂无线传感器网络应用技术探讨

李小龙，张志华

（天津水利电力机电研究所，天津301900）

1 引言

无线传感器是物联网时代催生的崭新的应用，它将传统传感器采集的信息通过无线方式发送到控制端，增强系统的灵活性和应用范围；比起有线网络，无线传感器网络的安装更迅速，具备极高的扩充弹性与链接可靠性，同时无线供电技术避免了用电设备之间通过导线连接获取能量过程中不安全因素。将无线传感器网络应用到水电厂设备监测中是未来水电厂自动化监控系统和设备状态监测、故障诊断的发展趋势。

2 无线传感器网络应用技术

2.1 系统组成

无线传感器网络通常由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成。在需要监测的设备节点上部署大量的传感器节点，通过自组织方式构成网络结构。每一个传感器节点所采集的数据都可以经过其他节点进行数据传输，在数据传输过程中，数据经过多次传输后送至汇聚节点，最终通过互联网等方式送至管理节点。用户可以通过管理节点对无线传感器网络进行配置管理，监测设备状态。

2.2 通信协议

目前有多种主流无线通信协议可选择（见表1），这些通信协议都有各自的特点。

表1

通过比较可以发现，ZigBee通信协议是功耗低、传输速率低、传输距离远，低成本的双向无线通信技术，最适合水电厂无线传感器的网络应用。基于IEEE802.15.4标准无线协议开发的ZigBee智能传感器网络系统是一种全新的数据处理与传输技术，在现实生活中得到了广泛的应用。

2.3 系统结构

基于Zigbee通信协议开发的无线传感器网络具有自组织、自恢复及通信可靠的能力，支持三种主要的自组网无线网络类型，即星形结构、树形结构和网状结构。

2.3.1 星形结构

星形结构是自组织无线网络拓扑形式中最简单的一种，包含一个协调者节点和多个终端节点。终端节点可以与协调者节点进行通信，但是两个终端节点不能直接通信，如果两个终端节点之间需要通信的话，必须通过协调者节点进行信息的转发，才能实现两个终端节点的通信。星形结构的缺点是由于节点之间不能直接通信，数据只有唯一的传输路径，协调者节点是整个网络的瓶颈。

2.3.2 树形结构

树形结构包含一个协调者节点和多个路由器节点及终端节点。协调者节点连接多个路由节点和终端节点，而它的子节点的路由节点也可以连接多个路由节点和终端节点，可以拓展多个层级。但是需要设计者注意的是，协调者节点和路由节点可以包含自己的子节点，而终端节点不能有自己的子节点。

2.3.3 网状结构（MESH结构）

网状结构与树形结构相似，包含一个协调者节点和多个路由节点及终端节点，但不同点在于网状结构的路由节点之间可以直接的通信，具有更加灵活的信息路由规则，相比于树型结构具有更加明显的优势。这种路由规则使通信变得更有效率，如果一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。

网状结构具有更加强大的功能，该结构可以组成更加复杂的网络，数据可以通过“多级跳”的方式来通信，网络系统更加可靠，并且能够实现动态路由。

3 无线传感器供电技术

无线传感器网络由大量传感器节点构成，节点工作环境通常比较恶劣，为保证无线传感器网络正常工作，供电技术是关键所在。

无线供电，是一种方便安全的新技术，通过非接触的方式对用电设备进行电能传输，不需要物理连接，电能就可以传输给负载。与传统的有线传输电能方式相比，无线供电避免了用电设备之间通过导线连接产生电火花、导线破损等不安全因素。目前常用的无线供电技术主要有以下三种。

3.1 电波辐射式无线供电技术

电波辐射式无线供电主要是将电能转换成电磁波或激光的形式，由天线发射，电磁波可以在空间自由传播，再经过接收天线，将电磁波转换为电能供给负载使用。此技术主要是通过电磁波的形式进行传输，能实现长距离、大范围的电能传输，但电磁波方向性不强，且穿过障碍物能力较弱，所以能量会有衰减，长距离传输效率低下，并且会对周围造成电磁辐射污染。

3.2 感应耦合式无线供电技术

感应耦合式无线供电技术是以可分离变压器或松耦合变压器为磁路结构进行电能无线传输。将市电经过AC/DC整流转变成直流电，直流电经过高频逆变电路转变成特定频率的交流电，特定频率的交流电通过发射线圈产生感应磁场，而接收线圈会在感应磁场中产生感应电动势，从而实现了电能的无线传输。应用电磁感应的原理，传输功率可以达到kW，但传输距离比较短，仅为毫米级，并且由于系统是松耦合或可分离耦合，气隙会比较大，使得漏磁和激磁较大。

3.3 磁耦合谐振式无线供电技术

磁耦合谐振式无线供电技术利用两个具有相同频率的谐振电路，通过磁场耦合，实现电能从供电设备向用电设备的无线传输。磁耦合谐振式无线供电引入了谐振（共振）技术，使发射线圈和接收线圈在相同频率下工作，不仅可以提高能量的传输效率，而且可以增加能量传输距离。利用近磁场谐振耦合，其辐射小，方向性要求也不高，适合中等距离的传输，传输效率较高并且能量传输不受空间和非磁性障碍物的影响。

磁耦合谐振式无线供电技术与上述两种无线供电技术相比，具有以下特点：

（1）与电磁波原理的无线供电技术相比，具有传输功率大、传输效率高和无方向性的特点，且传输功率从以前的毫瓦级提高到千瓦级，传输效率也得到大大的提升，可达到80%；

（2）与电磁感应原理的无线供电技术相比，具有传输距离大，突破了电磁感应原理的无线供电距离仅在毫米级的限制。

通过三种无线供电原理的比较得出，磁耦合谐振式无线供电比较适用于无线传感器供电的方式。由此原理制作的无线供电装置可应用于无线传感器的电能供应，真正实现无线传感器的无线供电功能。

4 水电厂无线传感器网络应用解决方案

水电厂在生产过程中为保证设备工作在正常状态或最佳状态，应用到大量传感器监测设备运行数据。水电厂传感器主要分类及应用如表2所示。

表2 水电厂传感器主要分类及应用

4.1 水电厂无线传感器网络结构

水电厂无线传感器网络由传感器节点、传输协议、无线网关、工作站等组成。随着嵌入式技术、通信技术、传感器技术的发展，基于Zigbee无线通信技术强大的组网能力，应用网状结构（图1），将无线传感器布置在相应的节点采集前端数据,通过无线网关将传感器采集的数据转发到终端监控主机,监控主机对数据进行显示、存储和分析；监控中心也可以将控制、参数设置等信息通过网关无线传输给节点，以此实现对水电厂自动化生产实现在线监测。系统可以灵活的增减不同的传感器节点，进行相关物理信号测量，检测或监测。

水电厂无线传感器网络结构如图1所示。

4.2 功能特点

无线传感器网络具有如下特点：

（1）无线测量：对每个测量点进行无线监测，自动检测全部传感器的测定值；

（2）安装方便：不需传输线缆，安装使用方便，灵活布放节点；

（3）网络覆盖范围广：冲破了时间和空间的限制，采用无线接收网关，将采集到的数据传到计算机内，传输可靠性高，组网迅速，结构简单，功能强大；

（4）无线供电：避免了用电设备之间通过导线连接获取能量过程中产生电火花、导线破损等不安全因素。

图1 水电厂无线传感器网络结构

5 结论

伴随着科技的进步，无线传感器网络已逐步被实际应用于工业自动化控制当中。然而，在国内水电行业，传感器网络的使用还停留传统的有线传感器阶段，即传感器一对一配线，然后集中到中央监控设备阶段，给水电厂的布线、运行和检修带来极大的麻烦，亟待引入一种新型的、无线布线的传感器网络。本文从无线传感器网络构成、传输协议、组网方式、无线供电等方面，对无线传感器网络应用技术进行了探讨，提出了水电厂无线传感器网络应用解决方案，为水电厂无线传感器网络的应用提供了技术支撑。