張 波

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系，安徽 蕪湖 241003)

0 引言

短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種全新的信息獲取技術(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)功能的發(fā)揮奠定了基礎(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測范圍內(nèi)，可以實時性地采集和查看監(jiān)測對象的狀況[1]。節(jié)點是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，這些節(jié)點通常處理能力有限、存儲性能一般、通信能力及能量有限，但是成本費用較低，這就需要實時地對傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議已無法正常發(fā)揮作用，必須要參考無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身的特性及運用狀況，針對性地研發(fā)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，使其更高效化。本研究在軟件、硬件上確保了高能效的需求，對兩大低能耗的射頻芯片NRF24L01、微處理器MSP430G2553進(jìn)行了運用，在鏈路層、物理層的角度上將高能效利用率變?yōu)榱爽F(xiàn)實。本方案在對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建的過程中，應(yīng)用了改進(jìn)LEACH路由算法，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層方面使無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能耗得到了有效節(jié)約。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)LEACH改進(jìn)算法

在對LEACH算法的性能進(jìn)行衡量時，參考的關(guān)鍵指標(biāo)就是網(wǎng)絡(luò)能耗、節(jié)點，沒有深入分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常使用時間受節(jié)點間位置的干擾。在選舉簇頭節(jié)點時，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的幾率一致，一般在簇邊緣形成簇頭節(jié)點，因此，同位于中心位置的簇頭節(jié)點相比，其傳輸能耗、數(shù)據(jù)融合能耗均較大，所以會導(dǎo)致簇頭節(jié)點能耗出現(xiàn)不平衡的狀況，進(jìn)而出現(xiàn)位于簇邊緣的簇頭節(jié)點過早死亡的現(xiàn)象。

LEACH算法對于網(wǎng)絡(luò)能耗、節(jié)點分布影響這兩大問題也缺少一定的分析。若網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點所在區(qū)域的密度大，則數(shù)據(jù)融合的任務(wù)也會變大。網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點所在區(qū)域密度的大小同網(wǎng)絡(luò)使用時間呈反比的關(guān)系。

由于LEACH算法存在一定的弊端，造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載出現(xiàn)不均衡的狀況，有關(guān)學(xué)者開展了優(yōu)化空間位置下的節(jié)點[2]、優(yōu)化選取信任節(jié)點[3]、優(yōu)化分簇技術(shù)[4]等一系列的改進(jìn)研究。本研究基于LEACH路由算法，借助普通節(jié)點—候選簇頭—超級簇頭的三級分簇方式[5]，使同匯聚節(jié)點直接通信的節(jié)點數(shù)量有效降低，并將算法關(guān)鍵性能指標(biāo)設(shè)定為節(jié)點相對距離，對T(n)計算規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡化，并使網(wǎng)絡(luò)使用時間得以延長。

1.1 三級分簇結(jié)構(gòu)

在單元均勻劃分的基礎(chǔ)上形成的三級分簇結(jié)構(gòu)，節(jié)點成為簇頭節(jié)點的幾率為P，明確劃分單元量。在建立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)，以均勻化的方式對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行劃分，對單元范圍進(jìn)行明確，結(jié)合自身坐標(biāo)信息，不同傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對其單元屬性進(jìn)行判斷。

根據(jù)T(n)計算規(guī)則，不同單元下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠選取形成候選簇頭，候選簇頭可以接收到由普通節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，融合單元內(nèi)的數(shù)據(jù)。完成第二次選舉后，在候選簇頭內(nèi)選取n個超級簇頭，同候選簇頭相近的超級簇頭，能夠接收到前者搜集到的數(shù)據(jù)，完成單元中數(shù)據(jù)的融合任務(wù)，匯聚節(jié)點會接收到超級簇頭所傳輸?shù)娜诤蠑?shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三級分簇結(jié)構(gòu)詳如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點聚簇示意圖

1.2 簇頭選舉機(jī)制

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，按照簇頭選舉機(jī)制就可以對簇頭進(jìn)行選取，具體順序為：

第一輪：LEACH算法選簇機(jī)制、選簇機(jī)制二者無差異，利用T(n)選舉算法在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中選舉候選簇頭，之后在全部候選簇頭節(jié)點內(nèi)，借助T(n)選舉算法在單元間對超級簇頭節(jié)點進(jìn)行選舉。

第二輪：參考節(jié)點距離的標(biāo)準(zhǔn)，單元內(nèi)第一輪候選節(jié)點會接收到普通節(jié)點所傳輸?shù)钠渲恋谝惠喓蜻x節(jié)點的距離，第一輪候選節(jié)點可以對距離最短的節(jié)點進(jìn)行動態(tài)化的選舉，并將選舉結(jié)果設(shè)定成第二輪的候選節(jié)點。以此類推，前一輪的超級簇頭會接收到第二輪候選節(jié)點所傳輸?shù)钠渲恋谝惠喅壌仡^節(jié)點的距離，前一輪超級簇頭節(jié)點可以對距離最短的候選簇頭節(jié)點進(jìn)行選舉，并將選舉結(jié)果設(shè)定成新一輪的超級簇頭。在這一輪中，之前一輪的超級簇頭是普通節(jié)點，在這一輪選舉超級簇頭、候選簇頭中不再考慮，結(jié)合其同這一輪候選節(jié)點間的距離狀況，對所屬簇進(jìn)行選取。不斷反復(fù)進(jìn)行第二輪的簇頭選舉。各單元內(nèi)，不同普通節(jié)點簇頭選舉流程示意圖如圖2所示。

2 仿真驗證

2.1 仿真環(huán)境及給定參數(shù)設(shè)置

結(jié)合上述分析對仿真實驗進(jìn)行構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量是100個，被測環(huán)境為100×100，各點結(jié)構(gòu)無差異，所有節(jié)點均處在靜止?fàn)顟B(tài)，匯聚節(jié)點坐標(biāo)是(0，0)。

圖2 普通節(jié)點選簇流程圖

按順序設(shè)置仿真參數(shù)：p=0.1，εamp=0.001 3，ε=10，節(jié)點的初試能量一致，E0=0.5 J，Eelec=50 nJ/bit，輪數(shù)r為2 000，接收、發(fā)送的字節(jié)數(shù)k為4 000 bit。

借助Matlab 82007對仿真實驗進(jìn)行驗證，對照分析LEACH算法、三級分簇LEACH算法的仿真結(jié)果，對改進(jìn)后算法性能進(jìn)行驗證。

在改進(jìn)三級分簇LEACH算法中，初始狀態(tài)下各節(jié)點的分布狀況如圖3所示。

圖3 節(jié)點初始分布圖

節(jié)點分簇過程詳如圖4所示。

2.2 節(jié)點存活數(shù)對比

在網(wǎng)絡(luò)運行一定時間之后，對比節(jié)點存活狀況，結(jié)果詳如圖5。其中三級分簇LEACH算法、LEACH算法二者出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點的時間分別為第450輪和第284輪；在第670輪運行完畢時，LEACH算法的全部節(jié)點死亡，但是在第1 500輪時，三級分簇LEACH算法依然存在少數(shù)節(jié)點正常運行。所以，本研究中改進(jìn)后的三級分簇LEACH算法能夠降低由于能耗大而出現(xiàn)節(jié)點較早死亡的狀況，使網(wǎng)絡(luò)性能得到了顯著的提升。

圖4 節(jié)點分簇過程示意圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)對比圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)剩余能量比較

網(wǎng)絡(luò)中三級分簇LEACH算法和LEACH算法的節(jié)點總剩余能量的對比詳如圖6。

結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn)，本研究的改進(jìn)算法在第1 500輪時，節(jié)點的能量消耗殆盡，但是LEACH算法下，節(jié)點能耗在第660輪時就全部殆盡。

建立在LEACH算法基礎(chǔ)上的三級分簇改進(jìn)算法具有能耗低的特點，該算法利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輪流選舉三級分簇、二次聚簇、簇頭節(jié)點，并將節(jié)點距離標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到第二輪和第三輪的簇頭選舉機(jī)制內(nèi)，使同匯聚節(jié)點進(jìn)行通信的節(jié)點量大大降低。進(jìn)行仿真實驗的最終結(jié)果顯示：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載失衡的問題在運用改進(jìn)LEACH路由算法后得到了有效解決。

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點剩余能量對比圖

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

目前，光伏發(fā)電得到了廣泛應(yīng)用，光伏陣列裝機(jī)量也獲得了急速的發(fā)展，面對較大的光伏電路實時遠(yuǎn)程監(jiān)測任務(wù)量，發(fā)電站工作人員的職責(zé)更加繁重。主要的監(jiān)測方式就是有線、無線遠(yuǎn)程監(jiān)測，其中由于前一種監(jiān)測方式監(jiān)測距離范圍較近，經(jīng)濟(jì)成本較高，只能適用于一些小范圍的監(jiān)測，因而在實際監(jiān)測過程中更多地是采用無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)；而后一種監(jiān)測方式下的無線監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，運用了GPRS、Zigbee和RF無線射頻通信等技術(shù)。本研究利用了無線通信技術(shù)，結(jié)合太陽能光伏陣列極易出現(xiàn)故障問題的狀況，研制出全新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)光伏陣列無線監(jiān)測方案，該方案具有效率高、投入費用低的優(yōu)勢，改進(jìn)了三級分簇LEACH算法協(xié)議，并在NRF24L01無線射頻通信技術(shù)的前提下，有效地傳輸、采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采集后的數(shù)據(jù)利用GPRS無線技術(shù)傳送到監(jiān)測管理終端中，進(jìn)而達(dá)到了遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)自動實時監(jiān)測光伏陣列情況的目的，并同時降低了光伏陣列監(jiān)測成本。

本文所設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示，遠(yuǎn)程監(jiān)測上位機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為最關(guān)鍵的兩大部分。匯聚節(jié)點(匯流箱內(nèi))、光伏組件傳感器節(jié)點包含在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。對系統(tǒng)電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是傳感器節(jié)點的核心作用，借助自組網(wǎng)的途徑，能夠向簇頭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)信息，發(fā)揮NRF24L01無線通信技術(shù)的作用，簇頭節(jié)點能夠向匯聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，后者利用GPRS無線通信技術(shù)收集數(shù)據(jù)信息輸送到上位機(jī)中，最后由上位機(jī)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理和儲存，同時還對系統(tǒng)中各個傳感器節(jié)點(光伏陣列)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制管理。例如當(dāng)某個節(jié)點運行過程中出現(xiàn)故障，上位機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出報警信號知會管理人員。

3.2 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

此次設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器節(jié)點硬件電路如圖8所示，主要構(gòu)成部件包括NRF24L01短距離無線通信模塊、DS 18B20溫度傳感器、低能耗高效電壓電流采集電路和MSP430低功耗單片機(jī)四大部分。采集到的傳輸數(shù)據(jù)信息利用傳感器節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)變處理，然后通過自組網(wǎng)路由協(xié)議的方式輸送到匯聚節(jié)點。

圖7 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖

圖8 傳感器節(jié)點電路圖

3.2.1 單片機(jī)

此監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點MCU選擇TI公司生產(chǎn)的單片機(jī)，型號是MSP430G2553，此款單片機(jī)具有超低功耗特點，有20引腳和28引腳封裝。

3.2.2 電壓電流采集電路

1)電壓采集電路。監(jiān)測系統(tǒng)中光伏電池組件的采集方法利用串聯(lián)電阻分壓方式進(jìn)行采集。如式(1)所示:

(1)

式中：V1為電池組件實際輸出電壓，即單片機(jī)測量電壓；R1和R2為串聯(lián)電路分壓電阻。利用高強(qiáng)度光對單晶串組電池(監(jiān)測對象)進(jìn)行照射，此時對應(yīng)實際輸出電壓是3.0 V，文中分壓電阻R1、R2的阻值選擇R1=R2=1 Ω，可以達(dá)到有效降低消耗，電壓信號經(jīng)過分壓處理之后，MSP430G2553下的P1.0引腳同信號輸出位置二者相互連接。

2)電流采集電路。電流采集電路設(shè)計過程中為了可以有效降低傳感器節(jié)點消耗，設(shè)計采樣電阻Rs時，采取接入方式進(jìn)行設(shè)計，與此同時使用INA283功率將電路采集進(jìn)行擴(kuò)大處理，在電阻Rs選型過程中要選擇阻值較小、精度較高、電流消耗較低的電阻，文中選擇Rs=0.50 Ω。INA283電路如圖9所示，Rs的接入電路在+IN與-IN之間，在Rs兩邊有電流流入時，壓降經(jīng)過+IN與-IN口接入，然后途經(jīng)差分電路進(jìn)行擴(kuò)大，隨后在OUT口輸出；為了保障電路在輸出和輸入過程中的偏置為0，采取利用基準(zhǔn)電壓REF 1和REF2引腳同時接地方法予以解決。

圖9 INA283電路

電流采集電路計算公式如式(2)所示:

(2)

3.2.3 溫度傳感器

翻譯實踐過程中，經(jīng)指原文本應(yīng)有之意，是譯者對原文應(yīng)有之意的尊重與持守；權(quán)指譯者在尊重原文意義基礎(chǔ)上，根據(jù)交際目的對其所作的必要闡釋與權(quán)變。這種解釋源于對文章的自我理解，服務(wù)于最終意圖，對篇章進(jìn)行由表及里的深度分析，闡釋原文言外之意；在微觀層次，它影響乃至決定了譯者如何選擇分析視角、選擇何種翻譯策略等方面。

負(fù)溫度系數(shù)是光伏電池的一大特點，溫度越高，發(fā)電效率反而越低。所以要實時性地監(jiān)測光伏電池組件在運行狀態(tài)時溫度的高低。本研究在監(jiān)測光伏電池組件時，對DS 18B20單總線溫度傳感器進(jìn)行了利用。DS 18B20有3個管腳，排列如圖10所示。

在圖10中外接電源大小是3 V到5 V，電源引腳是UDD管腳，數(shù)字信號輸入、輸出是I/O(P2.0管腳，GND為接地)。MCU P2.0同DS 18B20 I/O端二者連接了起來，上拉電阻為1.7 K，在MCU中VCC及GND下連接了GND、VDD。在上述途徑下，系統(tǒng)實現(xiàn)了可靠、持續(xù)的供電，有效提升了寄生供電途徑及轉(zhuǎn)換精確程度。

圖10 DS 18B20

3.2.4 短距離無線通信模塊

文中所采用的無線收發(fā)模塊采用挪威Nordic公司生產(chǎn)的RF24L01型、NRF24L01無線收發(fā)模塊內(nèi)置鏈路層，是一款真正意義上實現(xiàn)GFSK單收發(fā)的芯片，采用增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制系統(tǒng)運行，工作運行過程中的電壓為：1.9～3.6 V，還可以在5 V電平輸入狀態(tài)下工作；其次，還可以在系統(tǒng)中的各個傳輸通道和頻道之間實現(xiàn)短時間自如切換以及控制系統(tǒng)中的各種自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能。RF24L01型無線模塊是監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點通信模塊結(jié)合到一起的無線模塊，可以有效降低系統(tǒng)運行過程中的各種功耗。

NRF24L01的電路圖如圖11所示。

圖11 NRF24L01電路圖

3.2.5 改進(jìn)LEACH算法的傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

電池供電壽命有限，同時只可以提供一次供電，但是在傳感器節(jié)點中所使用的輔助電源是利用電池供電，因此，對傳感器節(jié)點的軟件用電消耗的設(shè)計尤其重要。在光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測過程中，電壓、電流以及溫度不需要頻繁操作收集，依據(jù)光伏陣列的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)要求，在設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)節(jié)點采集信息的頻率為0.5 h 1次，完成傳送數(shù)據(jù)操作之后和下一次傳送開始之前，節(jié)點處于等待狀態(tài)，觸發(fā)定時器會在數(shù)據(jù)信息收集任務(wù)開始時中斷運行，然后進(jìn)入到新的工作運行狀態(tài)。

3.2.6 基于改進(jìn)LEACH算法的匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，匯聚節(jié)點既是建造者，同時也承擔(dān)著基站的角色，需要實現(xiàn)改進(jìn)LEACH路由算法協(xié)議的穩(wěn)定運行。此算法在設(shè)計過程中主要實現(xiàn)的功能有：對基站進(jìn)行傳播，對簇頭進(jìn)行探尋，確保不同簇頭能夠有效通信，對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸、集合，向監(jiān)測終端傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)揮監(jiān)測軟件功能時，需要初始化處理系統(tǒng)硬件，運行改進(jìn)LEACH路由算法，聯(lián)合系統(tǒng)上位機(jī)開展GPRS無線通信。圖12是軟件具體的設(shè)計流程。

3.3 軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)中上位機(jī)位置安裝監(jiān)測系統(tǒng)軟件進(jìn)而實現(xiàn)對系統(tǒng)中的主要組件的實時監(jiān)測。文中設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)軟件是在Visual、Studio平臺下進(jìn)行設(shè)計研發(fā)的，軟件主要實現(xiàn)的功能包含：對使用者的管理、通信傳輸?shù)墓芾怼⒈O(jiān)控系統(tǒng)組件運行狀態(tài)、對系統(tǒng)后臺進(jìn)行管理以及對系統(tǒng)中的日志運行、事件記載、信息查找等模塊進(jìn)行處理，圖13為監(jiān)測軟件組成圖。

圖12 匯聚節(jié)點流程圖

圖13 監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成圖

監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要功能是在線實時監(jiān)測系統(tǒng)中各主要光伏組件WSNs測量節(jié)點運行過程中的電壓電流、監(jiān)測溫度、光照度等數(shù)據(jù)運行信息，此外，還對系統(tǒng)運行日志進(jìn)行管理，同時對系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的故障進(jìn)行報警，并對發(fā)生故障的組件進(jìn)行篩查比較等功能。

4 實驗測試

通過實驗測試上文所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)及系統(tǒng)性能。選擇6組監(jiān)測系統(tǒng)中單晶組件串聯(lián)是100 WP，工作期間電流5.13 A，運行期間電壓19.5 V的光伏陣列數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測分析。將實驗所得數(shù)據(jù)信息與監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較之后發(fā)現(xiàn)基本相同。隨后進(jìn)行多次實驗證明：在一定的通信距離內(nèi)所傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)信息工作狀態(tài)正常，數(shù)據(jù)信息真實有效。當(dāng)對節(jié)點的通信傳輸距離加大時(>1 km)，會出現(xiàn)一小部分的通信數(shù)據(jù)信息包遺失現(xiàn)象，但是可以通過加大數(shù)據(jù)采集次數(shù)以及降低采集間隔時間的方法予以解決。不過通常情況下在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中的主要組件數(shù)據(jù)信息較少出現(xiàn)上文所述的傳輸距離超出(>1 km)的情況，因此對于系統(tǒng)的正常使用并未造成任何影響。

5 結(jié)語

上文所設(shè)計的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對系統(tǒng)中主要組件運行過程中的在線實時監(jiān)測，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、降低系統(tǒng)主要組件的營運與維護(hù)成本等，都具有重要的意義及市場推廣價值。日后在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可以結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、APP客戶平臺等技術(shù)平臺，進(jìn)而實現(xiàn)對光伏系統(tǒng)的實時監(jiān)測與運行管理，使監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)移動化。