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)設(shè)計(jì)

　　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。

　　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，造成接收到的信號較弱。在拓?fù)淇刂啤⒙酚刹呗砸约肮?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮如何增加信號強(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)程控制單元兩部分組成?，F(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。現(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。

　　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)洹Ｎ恢孟嘟碾姍C(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。