秦 鏡 姜建國
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(yīng)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(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(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(yīng)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(yīng)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。
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(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。現(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。
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。
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：
即有向虛擬隙在任意時刻的范圍為：
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(biāo)位置(xs,ys)、數(shù)據(jù)包種類、現(xiàn)在接收節(jié)點的坐標(biāo)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。
當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)如(3)式所示。其中xc，yc為該節(jié)點的坐標(biāo)，(xint,yint)為前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點坐標(biāo)，如圖6所示。
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(biāo)和有向虛擬隙替換前一節(jié)點的坐標(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，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。
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(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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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。
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(yīng)用場合。
