??? 摘 要： 針對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn),，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用實(shí)施簡便,、性能可靠的定向洪泛" title="定向洪泛">定向洪泛路由策略" title="路由策略">路由策略，設(shè)計(jì)了新型的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系,。應(yīng)用Atmega128和CC2420設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng),，并使用該網(wǎng)絡(luò)對異步電機(jī)定子的溫度進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能對溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的采集。
??? 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 定向洪泛; Atmega128;? CC2420;? 溫度傳感器
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??? 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),、通信技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展,，目前國內(nèi)外在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，短短十幾年間,，從原始的人力監(jiān)測機(jī)制發(fā)展到現(xiàn)今的在線監(jiān)測系統(tǒng),。在線監(jiān)測具有傳輸數(shù)據(jù)及時(shí)、節(jié)省人力資源,、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),，但由于數(shù)據(jù)傳輸多采用有線網(wǎng)絡(luò)（如光纖、雙絞線,、CAN總線等）,，因此布線繁瑣、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)困難,、消耗大量人力物力資源,。為了解決這些問題，亟待引入一種新型的,、無需布線的網(wǎng)絡(luò),。
??? 近幾年興起的基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其成本低廉、布撒方便,、無需維護(hù)的特點(diǎn),，非常適用于環(huán)境惡劣、需大面積監(jiān)測或人力無法靠近的場合,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初應(yīng)用于海底探測,、軍事應(yīng)用、森林監(jiān)測等人力接近較困難的領(lǐng)域[1],。隨著無線通信技術(shù),、微系統(tǒng)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的日益成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性逐漸提高,，應(yīng)用的范圍也日漸廣泛,，如健康狀況監(jiān)測[2]、機(jī)械制造[3],、礦井安全監(jiān)測[4],、家庭安防[5]等要求高可靠性的領(lǐng)域也開始引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò),。
??? 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以上特點(diǎn)，應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)替代現(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)所使用的有線網(wǎng)絡(luò)不失為一種有效可行的方法,。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,，并根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測環(huán)境本身的特點(diǎn)應(yīng)用定向洪泛路由策略，設(shè)計(jì)基于Atmega128和CC2420的網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng),，對傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn),，使其更好地適用于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，應(yīng)用該系統(tǒng)對異步電機(jī)的定子溫度進(jìn)行監(jiān)測,，能夠?qū)崟r(shí)、有效地采集數(shù)據(jù),。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)特性
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過一組由無線方式連接的傳感器節(jié)點(diǎn)感知,、采集和處理信息，具有成本低,、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn),。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)計(jì)如圖1所示，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地散布在觀測區(qū)域內(nèi),，各個(gè)普通節(jié)點(diǎn)（node）與各自的匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）通信,，發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)并接收控制命令,。
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??? 通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境非常惡劣,、節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、維護(hù)困難且大部分區(qū)域人力無法靠近,，因此在其設(shè)計(jì)上首要考慮的因素就是能夠盡量節(jié)省能耗,，延長每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作壽命。而對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言,，其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有一定的區(qū)別,。
??? 首先，在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,，網(wǎng)絡(luò)的可靠性與容錯(cuò)能力比節(jié)省能耗更重要,。由于電機(jī)工作的環(huán)境并不是十分惡劣，所以工程人員定期更換節(jié)點(diǎn)的電池甚至節(jié)點(diǎn)就近取電都是可行的,。同時(shí),，電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測要求較高的時(shí)效性和可靠性。在這種情況下,，適用于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂坪吐酚刹呗栽O(shè)計(jì)可以集中在提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和容錯(cuò)能力上,。
??? 其次，在電機(jī)工作環(huán)境中,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的射頻信號(hào)會(huì)受到電流,、電壓以及電機(jī)間諧波的干擾,，造成接收到的信號(hào)較弱。在拓?fù)淇刂?、路由策略以及?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),，還需要考慮如何增加信號(hào)強(qiáng)度，減少干擾因素,。
再次,，與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境有所不同，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對節(jié)省能耗的要求略為寬松,，甚至可以在電機(jī)附近就近取電工作,。因此，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上可以做進(jìn)一步改進(jìn),，將電源設(shè)計(jì)為雙重取電的方式,。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在工作環(huán)境中可以使用普通的220V交流電工作；若無法取電,，則使用電池工作,。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
??? 基于對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)特性的分析，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。該系統(tǒng)由現(xiàn)場采集單元與遠(yuǎn)程控制" title="遠(yuǎn)程控制">遠(yuǎn)程控制單元兩部分組成。現(xiàn)場采集單元包括精簡功能節(jié)點(diǎn)（RFD）,、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink）以及網(wǎng)關(guān),。其中，RFD只采集數(shù)據(jù),，不進(jìn)行路由,，不同的RFD之間不能通信；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集RFD發(fā)送的數(shù)據(jù),，并選擇最適合的路由將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,；網(wǎng)關(guān)將接收到的無線信號(hào)通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制單元。遠(yuǎn)程控制由路由器,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制終端組成,。路由器協(xié)調(diào)不同現(xiàn)場采集單元與遠(yuǎn)程控制終端的通信；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器不僅收集和存儲(chǔ)不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),，而且為各個(gè)單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供備份,，加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)體系的可靠性；遠(yuǎn)程控制終端則為工程技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù),，并對網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令?，F(xiàn)場采集單元與遠(yuǎn)程控制單元采用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性與及時(shí)性,。
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2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥酚蓞f(xié)議
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/STRONG>
??? 在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,，電機(jī)散布于監(jiān)測區(qū)域的不同位置,，為了保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用分簇拓?fù)?。位置相近的電機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇,，簇內(nèi)成員通過簇頭（Sink）與網(wǎng)關(guān)通信。
2.2.2? 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
??? 對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言,，容錯(cuò)能力比節(jié)省能耗更重要,。因此，本系統(tǒng)采用一種既具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力,，又擁有較少能耗的路由策略——定向洪泛（Directed Flooding）,。
??? 在定向洪泛協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不是像傳統(tǒng)洪泛協(xié)議一樣向四面八方廣播數(shù)據(jù)包,，而是通過特定的有向虛擬隙（Directed Virtual Aperture）,。如圖3所示，∠AOB為節(jié)點(diǎn)O的有向虛擬隙,，大小為φ,。節(jié)點(diǎn)只向有向虛擬隙所指范圍廣播數(shù)據(jù)包，由圖3可知節(jié)點(diǎn)a,、b在O的有向虛擬隙范圍之內(nèi),，而節(jié)點(diǎn)c則不在。
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??? 設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)位于原點(diǎn),，在初始狀態(tài)中,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有向虛擬隙的中線都是指向匯聚節(jié)點(diǎn)的，如圖4所示,。定義有向虛擬隙中線的初始角度為θi,，有向虛擬隙的大小為φ,，則有向虛擬隙中線在任意時(shí)刻的位置可以表示為：
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??? 即有向虛擬隙在任意時(shí)刻的范圍為：
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??? 在數(shù)據(jù)包的包頭部分中,，包含了數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置(xs,ys)、數(shù)據(jù)包種類,、現(xiàn)在接收節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置(xint,yint)以及現(xiàn)在接收節(jié)點(diǎn)的有向虛擬隙θ,。數(shù)據(jù)包發(fā)送過程如圖5所示，φ為有向虛擬隙的大小,。
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??? 當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到周圍節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)包時(shí),，該節(jié)點(diǎn)會(huì)首先檢查自己是否在前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的有向虛擬隙范圍內(nèi)，檢查標(biāo)準(zhǔn)如(3)式所示,。其中xc,，yc為該節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，(xint,yint)為前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),，如圖6所示,。
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??? 若不能滿足式(3),，則丟棄該數(shù)據(jù)包；若能滿足,，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)用自己的坐標(biāo)和有向虛擬隙替換前一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和有向虛擬隙,，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
??? 定向洪泛協(xié)議采用了有向虛擬隙的概念,，迅速減少了網(wǎng)絡(luò)中的冗余數(shù)據(jù)量,，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的幾率，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗,。同時(shí),，定向洪泛保持了傳統(tǒng)洪泛協(xié)議的高容錯(cuò)能力的特性，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性,。
2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖7所示,，節(jié)點(diǎn)采取模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制模塊,、通信模塊,、電源管理模塊、傳感器模塊和接口模塊構(gòu)成,。
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??? 微控制模塊采用Atmel公司的高端單片機(jī)ATmega128微處理器,。它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu),，具有片內(nèi)128KB的程序存儲(chǔ)器（Flash）,、4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)和4KB的EEPROM，JTAG,、UART,、SPI、I2C總線等接口,。ATmega128可在多種不同模式下工作,，除了正常工作模式以外，還具有六種不同等級的低能耗工作模式,，因此該微處理器適合低能耗的應(yīng)用場合,。
??? 無線通信模塊采用Chipcon公司2003年推出的兼容2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2420，采用CMOS工藝生產(chǎn),，具有工作電壓低,、能耗低、體積小,、輸出強(qiáng)度高和收發(fā)頻率可編程等特點(diǎn),，可確保短距離通信的有效性和可靠性，最大收發(fā)速率為250kb/s,。CC2420與微處理器的連接非常簡單,，通過SPI（CSn,、SO、SI,、SCLK）接口與微處理器交換數(shù)據(jù),、發(fā)送命令。
??? 電源管理模塊為了適應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測環(huán)境的要求,，采用3.3V電池或220V交流電雙重取電的設(shè)計(jì),。220V的交流電通過變壓器變頻和降壓為5V的直流電，再通過穩(wěn)壓芯片AMS1117繼續(xù)降壓為3.3V的直流電,。當(dāng)所處環(huán)境附近有220V交流電源時(shí),，節(jié)點(diǎn)使用交流電工作；當(dāng)所處環(huán)境不能提供220V交流電時(shí),，節(jié)點(diǎn)使用3.3V電池工作,。
傳感器模塊包含溫度傳感器DS18B20、紅外傳感器PD632和加速度傳感器ADXL202,。
??? 接口模塊包含SPI接口,、JTAG接口、UART接口等,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
??? 應(yīng)用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對異步電機(jī)定子溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測,，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際溫度的對比如圖8所示。
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??? 由圖8可知,，傳感器測量溫度曲線與實(shí)際溫度曲線整合緊密,，跟蹤快速。測量信號(hào)有微小波動(dòng),，主要是由于受到異步電機(jī)產(chǎn)生的電磁波的干擾,，但傳感器測量溫度與實(shí)際溫度誤差在0.8℃以內(nèi)，并在第28分鐘以后趨于穩(wěn)定,，與實(shí)際溫度保持一致,。系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)采集快速有效，波形跟蹤迅速,，穩(wěn)定誤差小,，結(jié)果驗(yàn)證了定向洪泛路由策略的有效性和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。
??? 本文針對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn),，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用實(shí)施簡單,、可靠性強(qiáng)的定向洪泛路由策略,，提出了一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),。本文采用該系統(tǒng)對異步電機(jī)的定子溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了定向洪泛路由策略的有效性和使用該系統(tǒng)監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的可行性,。該系統(tǒng)具有實(shí)施簡便、成本低廉,、可靠性高的特點(diǎn),，適用于礦井安全監(jiān)測、深海作業(yè),、航空航天遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用場合,。
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