基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统设计

[日期：2008-7-31]

来源：中电网  作者：秦 镜, 姜建国

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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、CAN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。

 

    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
    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（Directed Flooding）。
    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（Directed Virtual Aperture）。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θ_i，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(x_s,y_s)、数据包种类、现在接收节点的坐标位置(x_int,y_int)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。

 

    当节点接收到周围节点转发过来的数据包时，该节点会首先检查自己是否在前一转发节点的有向虚拟隙范围内，检查标准如(3)式所示。其中x_c，y_c为该节点的坐标，(x_int,y_int)为前一转发节点坐标，如图6所示。

 

     

    若不能满足式(3)，则丢弃该数据包；若能满足，则该节点会用自己的坐标和有向虚拟隙替换前一节点的坐标和有向虚拟隙，并转发数据包。
    定向洪泛协议采用了有向虚拟隙的概念，迅速减少了网络中的冗余数据量，降低网络拥塞的几率，节省网络能耗。同时，定向洪泛保持了传统洪泛协议的高容错能力的特性，保证了网络通信的可靠性。
2.3 无线传感器网络硬件设计
    无线传感器网络监测系统的硬件设计如图7所示，节点采取模块化结构，由微控制模块、通信模块、电源管理模块、传感器模块和接口模块构成。

 

    微控制模块采用Atmel公司的高端单片机ATmega128微处理器。它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器（Flash）、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。ATmega128可在多种不同模式下工作，除了正常工作模式以外，还具有六种不同等级的低能耗工作模式，因此该微处理器适合低能耗的应用场合。
    无线通信模块采用Chipcon公司2003年推出的兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频芯片CC2420，采用CMOS工艺生产，具有工作电压低、能耗低、体积小、输出强度高和收发频率可编程等特点，可确保短距离通信的有效性和可靠性，最大收发速率为250kb/s。CC2420与微处理器的连接非常简单，通过SPI（CSn、SO、SI、SCLK）接口与微处理器交换数据、发送命令。
    电源管理模块为了适应电机运行状态监测环境的要求，采用3.3V电池或220V交流电双重取电的设计。220V的交流电通过变压器变频和降压为5V的直流电，再通过稳压芯片AMS1117继续降压为3.3V的直流电。当所处环境附近有220V交流电源时，节点使用交流电工作；当所处环境不能提供220V交流电时，节点使用3.3V电池工作。
传感器模块包含温度传感器DS18B20、红外传感器PD632和加速度传感器ADXL202。
    接口模块包含SPI接口、JTAG接口、UART接口等。
3 实验结果分析
    应用基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统对异步电机定子温度进行了实时监测，监测结果与实际温度的对比如图8所示。

 

    由图8可知，传感器测量温度曲线与实际温度曲线整合紧密，跟踪快速。测量信号有微小波动，主要是由于受到异步电机产生的电磁波的干扰，但传感器测量温度与实际温度误差在0.8℃以内，并在第28分钟以后趋于稳定，与实际温度保持一致。系统数据信号采集快速有效，波形跟踪迅速，稳定误差小，结果验证了定向洪泛路由策略的有效性和无线传感器网络监测系统的可靠性。

    本文针对电机运行状态监测系统的特点，结合无线传感器网络，采用实施简单、可靠性强的定向洪泛路由策略，提出了一种新型的无线传感器网络监测系统设计方案，同时给出了系统的硬件设计。本文采用该系统对异步电机的定子温度进行实时监测，实验结果表明了定向洪泛路由策略的有效性和使用该系统监测电机运行状态的可行性。该系统具有实施简便、成本低廉、可靠性高的特点，适用于矿井安全监测、深海作业、航空航天远程控制等应用场合。