秦 鏡 姜建國
隨著計算機技術、通信技術以及微電子技術的發展，目前國內外在電機運行狀態監測系統上的研究和應用已經取得了長足的進步，短短十幾年間，從原始的人力監測機制發展到現今的在線監測系統。在線監測具有傳輸數據及時、節省人力資源、運行穩定可靠的特點，但由于數據傳輸多采用有線網絡（如光纖、雙絞線、CAN總線等），因此布線繁瑣、網絡維護困難、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、無需布線的網絡。
近幾年興起的基于Zigbee的無線傳感器網絡由于其成本低廉、布撒方便、無需維護的特點，非常適用于環境惡劣、需大面積監測或人力無法靠近的場合。無線傳感器網絡最初應用于海底探測、軍事應用、森林監測等人力接近較困難的領域[1]。隨著無線通信技術、微系統技術與嵌入式技術的日益成熟，無線傳感器網絡可靠性逐漸提高，應用的范圍也日漸廣泛，如健康狀況監測[2]、機械制造[3]、礦井安全監測[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絡。
基于無線傳感器網絡的以上特點，應用無線網絡替代現有的在線監測系統所使用的有線網絡不失為一種有效可行的方法。本文將無線傳感器網絡引入電機運行狀態監測系統中，并根據電機運行狀態監測環境本身的特點應用定向洪泛路由策略，設計基于Atmega128和CC2420的網絡硬件系統，對傳統無線傳感器網絡進行改進，使其更好地適用于電機運行狀態的監測。實驗結果表明，應用該系統對異步電機的定子溫度進行監測，能夠實時、有效地采集數據。
1 無線傳感器網絡監測系統特性
無線傳感器網絡通過一組由無線方式連接的傳感器節點感知、采集和處理信息，具有成本低、靈活性強的特點。無線傳感器網絡基本設計如圖1所示，節點隨機地散布在觀測區域內，各個普通節點（node）與各自的匯聚節點（sink）通信，發送所采集到的數據并接收控制命令。
通常無線傳感器網絡的工作環境非常惡劣、節點數量龐大、維護困難且大部分區域人力無法靠近，因此在其設計上首要考慮的因素就是能夠盡量節省能耗，延長每個節點的工作壽命。而對電機運行狀態監測系統而言，其無線傳感器網絡的設計與傳統的無線傳感器網絡有一定的區別。
首先，在電機運行狀態監測系統中，網絡的可靠性與容錯能力比節省能耗更重要。由于電機工作的環境并不是十分惡劣，所以工程人員定期更換節點的電池甚至節點就近取電都是可行的。同時，電機狀態的監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監測的無線傳感器網絡的拓撲控制和路由策略設計可以集中在提高網絡可靠性和容錯能力上。
其次，在電機工作環境中，無線傳感器網絡節點所發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，與傳統無線傳感器網絡的工作環境有所不同，電機運行狀態監測系統的網絡節點對節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，在網絡節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。網絡節點在工作環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 無線傳感器網絡實現
2.1 無線傳感器網絡體系結構
基于對無線傳感器網絡監測系統特性的分析，設計了基于無線傳感器網絡的電機運行狀態監測系統，系統結構如圖2所示。該系統由現場采集單元與遠程控制單元兩部分組成。現場采集單元包括精簡功能節點（RFD）、匯聚節點（Sink）以及網關。其中，RFD只采集數據，不進行路由，不同的RFD之間不能通信；匯聚節點負責收集RFD發送的數據，并選擇最適合的路由將數據發送出去；網關將接收到的無線信號通過有線網絡發送給遠程控制單元。遠程控制由路由器、數據存儲服務器和遠程控制終端組成。路由器協調不同現場采集單元與遠程控制終端的通信；數據存儲服務器不僅收集和存儲不同網絡的數據，而且為各個單獨網絡的數據提供備份，加強了網絡體系的可靠性；遠程控制終端則為工程技術人員提供實時的數據，并對網絡發出控制命令。現場采集單元與遠程控制單元采用現有的光纖網絡進行連接，保證了網絡的可靠性與及時性。
2.2 無線傳感器網絡拓撲及路由協議
2.2.1 網絡拓撲
在電機運行狀態監測系統中，電機散布于監測區域的不同位置，為了保證網絡的可擴展性，本無線傳感器網絡采用分簇拓撲。位置相近的電機上的網絡節點組成一個簇，簇內成員通過簇頭（Sink）與網關通信。
2.2.2 網絡路由協議
對電機運行狀態監測系統而言，容錯能力比節省能耗更重要。因此，本系統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）。
在定向洪泛協議中，節點發送數據時不是像傳統洪泛協議一樣向四面八方廣播數據包，而是通過特定的有向虛擬隙（Directed Virtual Aperture）。如圖3所示，∠AOB為節點O的有向虛擬隙，大小為φ。節點只向有向虛擬隙所指范圍廣播數據包，由圖3可知節點a、b在O的有向虛擬隙范圍之內，而節點c則不在。
設定匯聚節點位于原點，在初始狀態中，每個節點的有向虛擬隙的中線都是指向匯聚節點的，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：
在數據包的包頭部分中，包含了數據源節點的坐標位置(xs,ys)、數據包種類、現在接收節點的坐標位置(xint,yint)以及現在接收節點的有向虛擬隙θ。數據包發送過程如圖5所示，φ為有向虛擬隙的大小。
當節點接收到周圍節點轉發過來的數據包時，該節點會首先檢查自己是否在前一轉發節點的有向虛擬隙范圍內，檢查標準如(3)式所示。其中xc，yc為該節點的坐標，(xint,yint)為前一轉發節點坐標，如圖6所示。
若不能滿足式(3)，則丟棄該數據包；若能滿足，則該節點會用自己的坐標和有向虛擬隙替換前一節點的坐標和有向虛擬隙，并轉發數據包。
定向洪泛協議采用了有向虛擬隙的概念，迅速減少了網絡中的冗余數據量，降低網絡擁塞的幾率，節省網絡能耗。同時，定向洪泛保持了傳統洪泛協議的高容錯能力的特性，保證了網絡通信的可靠性。
2.3 無線傳感器網絡硬件設計
無線傳感器網絡監測系統的硬件設計如圖7所示，節點采取模塊化結構，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成。
微控制模塊采用Atmel公司的高端單片機ATmega128微處理器。它采用低功耗CMOS工藝生產，基于RISC結構，具有片內128KB的程序存儲器（Flash）、4KB的數據存儲器(SRAM)和4KB的EEPROM，JTAG、UART、SPI、I2C總線等接口。ATmega128可在多種不同模式下工作，除了正常工作模式以外，還具有六種不同等級的低能耗工作模式，因此該微處理器適合低能耗的應用場合。
無線通信模塊采用Chipcon公司2003年推出的兼容2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻芯片CC2420，采用CMOS工藝生產，具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度高和收發頻率可編程等特點，可確保短距離通信的有效性和可靠性，最大收發速率為250kb/s。CC2420與微處理器的連接非常簡單，通過SPI（CSn、SO、SI、SCLK）接口與微處理器交換數據、發送命令。
電源管理模塊為了適應電機運行狀態監測環境的要求，采用3.3V電池或220V交流電雙重取電的設計。220V的交流電通過變壓器變頻和降壓為5V的直流電，再通過穩壓芯片AMS1117繼續降壓為3.3V的直流電。當所處環境附近有220V交流電源時，節點使用交流電工作；當所處環境不能提供220V交流電時，節點使用3.3V電池工作。
傳感器模塊包含溫度傳感器DS18B20、紅外傳感器PD632和加速度傳感器ADXL202。
接口模塊包含SPI接口、JTAG接口、UART接口等。
3 實驗結果分析
應用基于無線傳感器網絡的電機運行狀態監測系統對異步電機定子溫度進行了實時監測，監測結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，并在第28分鐘以后趨于穩定，與實際溫度保持一致。系統數據信號采集快速有效，波形跟蹤迅速，穩定誤差小，結果驗證了定向洪泛路由策略的有效性和無線傳感器網絡監測系統的可靠性。
本文針對電機運行狀態監測系統的特點，結合無線傳感器網絡，采用實施簡單、可靠性強的定向洪泛路由策略，提出了一種新型的無線傳感器網絡監測系統設計方案，同時給出了系統的硬件設計。本文采用該系統對異步電機的定子溫度進行實時監測，實驗結果表明了定向洪泛路由策略的有效性和使用該系統監測電機運行狀態的可行性。該系統具有實施簡便、成本低廉、可靠性高的特點，適用于礦井安全監測、深海作業、航空航天遠程控制等應用場合。
