基于無線傳感器網(wǎng)絡的電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

1、    基于無線傳感器網(wǎng)絡的電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte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)

2、測系統(tǒng)上的研究和應用已經(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（如光纖、雙絞線、CAN總線等），因此布線繁瑣、網(wǎng)絡維護困難、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。    近幾年興起的基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡由于其成本低廉、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)絡最初應用于海底探測、軍事應用、森林監(jiān)測等人力接近較困難的領域1。隨著無線通信技術(shù)

3、、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)絡可靠性逐漸提高，應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域也開始引入無線傳感器網(wǎng)絡。    基于無線傳感器網(wǎng)絡的以上特點，應用無線網(wǎng)絡替代現(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)所使用的有線網(wǎng)絡不失為一種有效可行的方法。本文將無線傳感器網(wǎng)絡引入電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，并根據(jù)電機運行狀態(tài)監(jiān)測環(huán)境本身的特點應用定向洪泛路由策略，設計基于Atmega128和CC2420的網(wǎng)絡硬件系統(tǒng)，對傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡進行改進，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，應用該系統(tǒng)對異步電機的定

4、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)絡監(jiān)測系統(tǒng)特性    無線傳感器網(wǎng)絡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)絡基本設計如圖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

5、，其無線傳感器網(wǎng)絡的設計與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡有一定的區(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)絡的拓撲控制和路由策略設計可以集中在提高網(wǎng)絡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

6、及節(jié)點設計時，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)絡節(jié)點的設計上可以做進一步改進，將電源設計為雙重取電的方式。網(wǎng)絡節(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)絡實現(xiàn)2.1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)    基于對無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)特性的分析，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的電機運行狀態(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

7、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)存儲服務器不僅收集和存儲不同網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，而且為各個單獨網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)提供備份，加強了網(wǎng)絡體系的可靠性；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)絡進行連接，保證了網(wǎng)絡的可靠性與及時性。 

8、;2.2 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲及路由協(xié)議    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)絡的可擴展性，本無線傳感器網(wǎng)絡采用分簇拓撲。位置相近的電機上的網(wǎng)絡節(jié)點組成一個簇，簇內(nèi)成員通過簇頭（Sink）與網(wǎng)關(guān)通信。    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

9、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。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i，有向虛擬隙的大小為，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：   &#

10、160;   在數(shù)據(jù)包的包頭部分中，包含了數(shù)據(jù)源節(jié)點的坐標位置(xs,ys)、數(shù)據(jù)包種類、現(xiàn)在接收節(jié)點的坐標位置(xint,yint)以及現(xiàn)在接收節(jié)點的有向虛擬隙。數(shù)據(jù)包發(fā)送過程如圖5所示，為有向虛擬隙的大小。     當節(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)，檢查標準如(3)式所示。其中xc，yc為該節(jié)點的坐標，(xint,yint)為前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點坐標，如圖6所示。          若不能滿足式(

11、3)，則丟棄該數(shù)據(jù)包；若能滿足，則該節(jié)點會用自己的坐標和有向虛擬隙替換前一節(jié)點的坐標和有向虛擬隙，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)絡中的冗余數(shù)據(jù)量，降低網(wǎng)絡擁塞的幾率，節(jié)省網(wǎng)絡能耗。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)絡通信的可靠性。2.3 無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計    無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計如圖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。 3 實驗結(jié)果分析    應用基于無線傳感器網(wǎng)絡的電機運行狀態(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)絡監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。    本文針對電機運行狀態(tài)監(jiān)測