基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统设计

基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统设计作者：秦镜姜建国出处：电子技术应用2008-08-0110:23随着计算机技术、通信技术以及微电子技术的发展，目前国内外在电机运行状态监测系统上的研究和应用已经取得了长足的进步，短短十几年间，从原始的人力监测机制发展到现今的在线监测系统。　　随着计算机技术、通信技术以及微电子技术的发展，目前国内外在电机运行状态监测系统上的研究和应用已经取得了长足的进步，短短十几年间，从原始的人力监测机制发展到现今的在线监测系统。在线监测具有传输数据及时、节省人力资源、运行稳定可靠的特点，但由于数据传输多采用有线网络(如光纤、双绞线、C|AN总线等)，因此布线繁琐、网络维护困难、消耗大量人力物力资源。为了解决这些问题，亟待引入一种新型的、无需布线的网络。　　近几年兴起的基于Zigbee的无线传感器网络由于其成本低廉、布撒方便、无需维护的特点，非常适用于环境恶劣、需大面积监测或人力无法靠近的场合。无线传感器网络最初应用于海底探测、军事应用、森林监测等人力接近较困难的领域[1]。随着无线通信技术、微系统技术与嵌入式技术的日益成熟，无线传感器网络可靠性逐渐提高，应用的范围也日渐广泛，如健康状况监测[2]、机械制造[3]、矿井安全监测[4]、家庭安防[5]等要求高可靠性的领域也开始引入无线传感器网络。　|　基于无线传感器网络的以上特点，应用无线网络替代现有的在线监测系统所使用的有线网络不失为一种有效可行的方法。本文将无线传感器网络引入电机运行状态监测系统中，并根据电机运行状态监测环境本身的特点应用定向洪泛路由策略，设计基于Atmega128和CC2420的网络硬件系统，对传统无线传感器网络进行改进，使其更好地适用于电机运行状态的监测。实验结果表明，应用该系统对异步电机的定子温度进行监测，能够实时、有效地采集数据。　　1无线传感器网络监测系统特性　　无线传感器网络通过一组由无线方式连接的传感器节点感知、采集和处理信息，具有成本低、灵活性强的特点。无线传感器网络基本|设计如图1所示，节点随机地散布在观测区域内，各个普通节点(node)与各自的汇聚节点(sink)通信，发送所采集到的数据并接收控制命令。　　

1　　通常无线传感器网络的工作环境非常恶劣、节点数量庞大、维护困难且大部分区域人力无法靠近，因此在其设计上首要考虑的因素就是能够尽量节省能耗，延长每个节点的工作寿命。而对电机运行状态监测系统而言，其无线传感器网络的设计与传统的无线传感器网络有一定的区别。　　首先，在电机运行状态监测系统中，网络的可靠性与容错能力比节省能耗更重要。由于电机工作的环境并不是十分恶劣，所以工程人员定期更换节点的电池甚至节点就近取电都是可行的。同时|，电机状态的监测要求较高的时效性和可靠性。在这种情况下，适用于电机运行状态监测的无线传感器网络的拓扑控制和路由策略设计可以集中在提高网络可靠性和容错能力上。　　其次，在电机工作环境中，无线传感器网络节点所发射的射频信号会受到电流、电压以及电机间谐波的干扰，造成接收到的信号较弱。在拓扑控制、路由策略以及节点设计时，还需要考虑如何增加信号强度，减少干扰因素。　　再次，与传统无线传感器网络的工作环境有所不同，电机运行状态监测系统的网络节点对节省能耗的要求略为宽松，甚至可以在电机附近就近取电工作。因此，在网络节点的设计上可以做进一步改进，将电源设计为双重取电的方式。网络|节点在工作环境中可以使用普通的220V交流电工作;若无法取电，则使用电池工作。　　2无线传感器网络实现　　2.1无线传感器网络体系结构

2　　基于对无线传感器网络监测系统特性的分析，设计了基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统，系统结构如图2所示。该系统由现场采集单元与远程控制单元两部分组成。现场采集单元包括精简功能节点(RFD)、汇聚节点(Sink)以及网关。其中，RFD只采集数据，不进行路由，不同的RFD之间不能通信;汇聚节点负责收集RFD发送的数据，并选择最适合的路由将数据发送出去;网关将接收到的无线信号通过有线网络发送给远程控制单元。远程控制由路由器、|数据存储服务器和远程控制终端组成。路由器协调不同现场采集单元与远程控制终端的通信;数据存储服务器不仅收集和存储不同网络的数据，而且为各个单独网络的数据提供备份，加强了网络体系的可靠性;远程控制终端则为工程技术人员提供实时的数据，并对网络发出控制命令。现场采集单元与远程控制单元采用现有的光纤网络进行连接，保证了网络的可靠性与及时性　　2.2无线传感器网络拓扑及路由协议　　2.2.1网络拓扑　　在电机运行状态监测系统中，电机散布于监测区域的不同位置，为了保证网络的可扩展性，本无线传感器网络采用分簇拓扑。位置相近的电机上的网络节点组成一个簇，簇内成员通过簇头(Sink|)与网关通信。　　2.2.2网络路由协议　　对电机运行状态监测系统而言，容错能力比节省能耗更重要。因此，本系统采用一种既具有较强的容错能力，又拥有较少能耗的路由策略——定向洪泛(DirectedFlooding)。

3　　在定向洪泛协议中，节点发送数据时不是像传统洪泛协议一样向四面八方广播数据包，而是通过特定的有向虚拟隙(DirectedVirtualAperture)。如图3所示，∠AOB为节点O的有向虚拟隙，大小为φ。节点只向有向虚拟隙所指范围广播数据包，由图3可知节点a、b在O的有向虚拟隙范围之内，而节点c则不在。　　　设定汇聚节点位于原点，在初始状态中，|每个节点的有向虚拟隙的中线都是指向汇聚节点的，如图4所示。定义有向虚拟隙中线的初始角度为θi，有向虚拟隙的大小为φ，则有向虚拟隙中线在任意时刻的位置可以表示为：　　　　即有向虚拟隙在任意时刻的范围为：　　　　在数据包的包头部分中，包含了数据源节点的坐标位置(xs,ys)、数据包种类、现在接收节点的坐标位置(xint,yint)以及现在接收节点的有向虚拟隙θ。数据包发送过程如图5所示，φ为有向虚拟隙的大小。　　

4　　当节点接收到周围节点转发过来的数据包