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

　　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?，F(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。

　　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：