《電子技術(shù)應用》
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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2008-07-30
作者:秦 鏡, 姜建國

??? 摘 要: 針對電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng)的特點,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)計了新型的電機運行狀態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系。應用Atmega128和CC2420設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng),并使用該網(wǎng)絡(luò)對異步電機定子的溫度進行監(jiān)測,實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能對溫度信號進行實時有效的采集。
??? 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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??? 隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展,目前國內(nèi)外在電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上的研究和應用已經(jīng)取得了長足的進步,短短十幾年間,從原始的人力監(jiān)測機制發(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、節(jié)省人力資源、運行穩(wěn)定可靠的特點,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、無需維護的特點,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)最初應用于海底探測、軍事應用、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,應用的范圍也日漸廣泛,如健康狀況監(jiān)測[2]、機械制造[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,應用無線網(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)引入電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,并根據(jù)電機運行狀態(tài)監(jiān)測環(huán)境本身的特點應用定向洪泛路由策略,設(shè)計基于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)進行改進,使其更好地適用于電機運行狀態(tài)的監(jiān)測。實驗結(jié)果表明,應用該系統(tǒng)對異步電機的定子溫度進行監(jiān)測,能夠?qū)崟r、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)點感知、采集和處理信息,具有成本低、靈活性強的特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)計如圖1所示,節(jié)點隨機地散布在觀測區(qū)域內(nèi),各個普通節(jié)點(node)與各自的匯聚節(jié)點(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)點數(shù)量龐大、維護困難且大部分區(qū)域人力無法靠近,因此在其設(shè)計上首要考慮的因素就是能夠盡量節(jié)省能耗,延長每個節(jié)點的工作壽命。而對電機運行狀態(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,在電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)的可靠性與容錯能力比節(jié)省能耗更重要。由于電機工作的環(huán)境并不是十分惡劣,所以工程人員定期更換節(jié)點的電池甚至節(jié)點就近取電都是可行的。同時,電機狀態(tài)的監(jiān)測要求較高的時效性和可靠性。在這種情況下,適用于電機運行狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制和路由策略設(shè)計可以集中在提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和容錯能力上。
??? 其次,在電機工作環(huán)境中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所發(fā)射的射頻信號會受到電流、電壓以及電機間諧波的干擾,造成接收到的信號較弱。在拓撲控制、路由策略以及節(jié)點設(shè)計時,還需要考慮如何增加信號強度,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,電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對節(jié)省能耗的要求略為寬松,甚至可以在電機附近就近取電工作。因此,在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計上可以做進一步改進,將電源設(shè)計為雙重取電的方式。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在工作環(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)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電機運行狀態(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)場采集單元與遠程控制" title="遠程控制">遠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(RFD)、匯聚節(jié)點(Sink)以及網(wǎng)關(guān)。其中,RFD只采集數(shù)據(jù),不進行路由,不同的RFD之間不能通信;匯聚節(jié)點負責收集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通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠程控制單元。遠程控制由路由器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和遠程控制終端組成。路由器協(xié)調(diào)不同現(xiàn)場采集單元與遠程控制終端的通信;數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器不僅收集和存儲不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),而且為各個單獨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供備份,加強了網(wǎng)絡(luò)體系的可靠性;遠程控制終端則為工程技術(shù)人員提供實時的數(shù)據(jù),并對網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令?,F(xiàn)場采集單元與遠程控制單元采用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進行連接,保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性與及時性。

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2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲及路由協(xié)議
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲

??? 在電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,電機散布于監(jiān)測區(qū)域的不同位置,為了保證網(wǎng)絡(luò)的可擴展性,本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用分簇拓撲。位置相近的電機上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成一個簇,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
??? 對電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言,容錯能力比節(jié)省能耗更重要。因此,本系統(tǒng)采用一種既具有較強的容錯能力,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)點發(fā)送數(shù)據(jù)時不是像傳統(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O的有向虛擬隙,大小為φ。節(jié)點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a、b在O的有向虛擬隙范圍之內(nèi),而節(jié)點c則不在。

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??? 設(shè)定匯聚節(jié)點位于原點,在初始狀態(tài)中,每個節(jié)點的有向虛擬隙的中線都是指向匯聚節(jié)點的,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刻的位置可以表示為:
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??? 即有向虛擬隙在任意時刻的范圍為:
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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)點的坐標位置(xs,ys)、數(shù)據(jù)包種類、現(xiàn)在接收節(jié)點的坐標位置(xint,yint)以及現(xiàn)在接收節(jié)點的有向虛擬隙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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??? 當節(jié)點接收到周圍節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)包時,該節(jié)點會首先檢查自己是否在前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的有向虛擬隙范圍內(nèi),檢查標準如(3)式所示。其中xc,yc為該節(jié)點的坐標,(xint,yint)為前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點坐標,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)點會用自己的坐標和有向虛擬隙替換前一節(jié)點的坐標和有向虛擬隙,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,定向洪泛保持了傳統(tǒng)洪泛協(xié)議的高容錯能力的特性,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
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖7所示,節(jié)點采取模塊化結(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的程序存儲器(Flash)、4KB的數(shù)據(jù)存儲器(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標準的射頻芯片CC2420,采用CMOS工藝生產(chǎn),具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度高和收發(fā)頻率可編程等特點,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電機運行狀態(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。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。當所處環(huán)境附近有220V交流電源時,節(jié)點使用交流電工作;當所處環(huán)境不能提供220V交流電時,節(jié)點使用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 實驗結(jié)果分析
??? 應用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對異步電機定子溫度進行了實時監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果與實際溫度的對比如圖8所示。

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??? 由圖8可知,傳感器測量溫度曲線與實際溫度曲線整合緊密,跟蹤快速。測量信號有微小波動,主要是由于受到異步電機產(chǎn)生的電磁波的干擾,但傳感器測量溫度與實際溫度誤差在0.8℃以內(nèi),并在第28分鐘以后趨于穩(wěn)定,與實際溫度保持一致。系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號采集快速有效,波形跟蹤迅速,穩(wěn)定誤差小,結(jié)果驗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。

??? 本文針對電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的特點,結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò),采用實施簡單、可靠性強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)計方案,同時給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。本文采用該系統(tǒng)對異步電機的定子溫度進行實時監(jiān)測,實驗結(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)測電機運行狀態(tài)的可行性。該系統(tǒng)具有實施簡便、成本低廉、可靠性高的特點,適用于礦井安全監(jiān)測、深海作業(yè)、航空航天遠程控制等應用場合。


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