大型裝備狀態監測無線傳感器網絡的研究*

曹建福，金 楓

(西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安710049)

利用無線傳感器網絡可以以較低的投資和使用成本實現對大型裝備的全面監測，在線獲取工作狀態參數，以此為基礎實施優化控制，來達到提高裝備利用效率和減低能耗的目標。無線通信網絡可減少布線，特別在布線困難、大型旋轉機械或設備部件有高度機動性的監測場合，具有無法替代的優勢。面向工業監測的無線傳感器網絡除研究一般自組織網絡問題外，還要重點解決網絡的實時性和抗干擾性問題。

在工業監測無線傳感器網絡的實時性研究方面，文獻［1］設計了一個工業監控用無線傳感器網絡系統，結合TDMA和FDD技術以減少通信時延。文獻［2］對塑料制造系統流體溫度的小型無線監測網絡，采用TDMA和CSMA/CA技術提高了實時性，但用在大規模網絡中會存在信道擁塞。文獻［3］針對工業監測應用的特點，提出一種跨層協議TREnD，通過數據融合、循環調度等技術來提高實時性并降低功耗，但沒有對分簇網絡劃分問題進行有效研究。在工業環境下可靠性研究方面，文獻［4］提出了基于樹狀網絡的多信道分配策略，有效減少信道間干擾并降低了信道切換頻率，但假設干擾統計特性已知且固定，這在實際應用中難以實現。文獻［5］根據使用頻度進行信道選擇，很好避免了信道擁塞，但外界干擾的抵御能力有限，而且需協商通信較多，降低了實時性。文獻［6－8］等均以多信道結構為基礎，改善了無線傳感器網絡的實時性、抗干擾性及吞吐量，但這些協議大多采用固定信道模式，其中一些還要求節點配備多個射頻模塊，離實際應用仍有距離。在射頻電路參數優化方面，文獻［9－10］通過對PCB天線優化，改善了UWB及Wi-Fi的通信質量并降低了信號收發的功耗需求，文獻［11－13］則給出了提高RFID及藍牙等無線局域網可靠性的Balun轉換電路設計方法，但上述方案均沒有對工作在2．4 GHz頻段的Zigbee節點進行有針對性的改進及參數優化，使得該類技術在Zigbee網絡中的實施存在困難。

考慮到復雜工業環境下多種干擾對長距離可靠通信影響很大，論文對無線傳感器網絡的射頻接收電路進行了定量分析和優化設計研究。為適應大型裝備在線狀態監測的要求，論文利用多信道技術提出并實現了一種實時的通信協議，還研究了裝備監測用各種傳感接口的設計技術。

1 網絡結構與射頻電路優化設計

1．1 網絡總體結構

大型裝備狀態監測一般要求無線傳感器網絡的有效通信半徑達75 m，網絡拓撲結構應為網狀，應提供自適應組網模式及容錯控制。網絡系統需提供振動量、加速度、溫度、壓力等傳感器，實現無人值守條件下的裝備監測需求;同時，匯聚節點模塊提供以太網、485接口，以便與Internet接入或車間其它網絡連接。由于工作環境較惡劣，導致節點之間的鏈路狀態可能不穩定，因此監測場合用無線傳感器網絡具有時間和空間上的不可預測性。由于傳感器網絡節點數據處理能力和通信帶寬都比較小，存儲空間也很有限，因此設計的協議不能太復雜。另一方面，在工業現場更換監測節點往往不方便，有些節點的更換可能還得停機，成本很高，所以為保證長期工作設計的協議還需要考慮能耗。

與其它短距離無線網絡相比，ZigBee網絡標準采用2．4 GHz頻帶，基于IEEE 802．15．4 協議，它具有成本低、低功耗、低復雜度等特點，特別在強干擾環境下的傳輸誤碼率很低，因此，本文選擇ZigBee網絡，所設計的監測用無線傳感器網絡總體結構見圖1。該監測無線傳感器采用分簇結構，簇內為一跳網絡，每簇至多63個簇內節點，鄰簇簇首節點間實現了多跳路由通信。

圖1 大型裝備監測無線傳感器網絡結構

1．2 射頻接收電路參數優化與可靠性設計

工業監測傳感器網絡節點模塊不僅具備穩定有效的無線射頻通信功能，而且還必須有感知功能。無線傳感器網絡節點由無線射頻通信模塊、微處理器模塊、傳感器接口、電源管理模塊等組成。射頻通信模塊負責節點之間數據收發，它的設計好壞對通信質量影響很大。2．4 GHz無線射頻通信模塊由IEEE802．15．4收發器芯片、巴倫(Balun)轉換電路和天線組成，圖2是射頻接收電路圖。Balun轉換電路的作用是實現收發器射頻前端的差分電路和外部的單極子不平衡天線電路之間的轉換，完成阻抗匹配。目前使用的單芯片結構RF收發器技術上較成熟，而且采用了直接序列擴頻技術，它有很強的抗干擾能力，因此，無線傳感器接收信號質量與天線和Balun轉換電路的設計關系很大。

圖2 射頻接收電路圖

(1)印刷板型微型天線設計

在2．4 GHz頻段信號中，使用的天線類型有:PCB天線、Chip天線和Whip天線，針對工業檢測節點成本、尺寸方面的要求，需采用PCB天線作為收發天線。PCB天線有差分天線、單端天線兩種類型，差分天線通過對稱的環形PCB微帶傳輸線實現，不需要其它的匹配元件，而單端天線依靠一個以地為參考的信號，需一個50 Ω的匹配電阻。差分天線兩臂走線需嚴格對稱，對精度要求高，但由于與發射管腳直接相連，阻抗匹配誤差難以調節;如果天線兩臂的長度是1/2λ，如果把它印制在FR－4介電常數4．5的1．0 mm的板材上，兩臂需要的總長度是44．7 mm，占用的空間較大。單端天線尺寸小、結構簡單，因此一般使用這種天線，而且常選擇其中的抗干擾能力強的倒F天線方案。由于PCB天線的介電常數、厚度、電路走線路徑、線路寬度、寄生電容電感等都會對信號質量和發送接收距離有很大影響，因此，需對倒F天線進行優化設計。

印制倒F天線及等效電路如圖3所示，圖中S為短路傳輸線長度，L為開路傳輸線長度，H為高度。

圖3 倒F天線等效電路

倒F天線的輸入電阻RIFA、輸入電抗XIFA和輸入阻抗 ZIFA為［9］:

L減小會增加天線阻抗，這時通過減少H和S正好可減小天線的電阻，維持50 Ω阻抗。

表1 天線尺寸對特性的影響

通過上面分析計算和實際反復通信試驗，獲得了如圖4的倒F天線優化設計，具體尺寸如表2。

表2 倒F天線設計尺寸 mm

(2)Balun轉換電路參數優化

常用的Balun電路:LC巴倫、集成電路，LC巴倫電路采用電容和電感實現。對于LC巴倫電路，可根據輸入端和輸出端的阻抗要求出計算的電容電感值，具體計算公式是:

圖4 倒F天線

其中，Rout和Rin分別是需要匹配的阻抗值。

CC2420射頻接收器的最佳差分負載是(115+j180)歐姆，倒F天線的特征阻抗是50 Ω，電路如圖5所示。其中L62/C61和L81/C81分別是LC巴倫電路的LC低通濾波電路和LC高通濾波電路，它們負責差分信號和單端信號之間的轉換和阻抗匹配;為了提供直流偏置，RF_P和RF_N之間并聯電感L61，L61和L62共同作用為CC2420的內部PA和LNA提供直流偏置;C71是解耦電容，C62是直流隔直電容。計算出的元器件數值為:L62=5．6 nH，C61=0．5 pF，L81=7．5 nH，C81=0．5 pF，L61=7．5 nH，C71=5．6 pF，C62=5．6 pF，要求精度±5% 。

圖5 CC2420射頻前端Balun電路圖

2 無線傳感器網絡實時協議研究

考慮到大型裝備監測系統對實時性及可靠性的要求，同時射頻芯片CC2420可以在2．4G頻段的16個信道上實現信道轉換，本文在ZigBee協議的基礎上，設計了一種動靜態分配相結合的多信道協議。

2．1 改進的MAC協議及實現方法

整個網絡的通信周期分為簇間通信與簇內通信兩個階段。各簇簇首節點形成第一層多跳CSMA/CA網絡，各簇簇內節點形成第二層一跳輪詢網絡，通信流程如圖6所示。固定信道分配應用于簇首的網絡初始化過程。由于分簇網絡中，各簇主體之間有一定距離，故只要保證相鄰簇間使用不同信道即可避免簇間的相互干擾，本文以簇首競爭信道的方式為各簇指定簇內通信基礎信道。各簇首節點使用相同的競爭機制，保證只需掌握信道序列及所有一跳鄰簇首的ID號，即可完成信道競爭。為了簡化競爭過程，減少組網時間，直接比較簇首ID來決定信道競爭結果。信道分配標準如下:

其中:DFreqn為簇首n分配到的信道序號，Freqindex為本輪待分配的信道序號。若簇首n的IDn小于所有鄰簇簇首的IDni，則簇首n獲得信道Freqindex作為簇內通信基礎信道。此方法有效減少運算復雜度，并通過ID的唯一性保證了每輪分配的有效性，避免了傳統算法中由生成器非單調性造成的信道重疊問題。

圖6 多信道MAC協議的通信流程

在簇內通信階段，為避免監測現場各類干擾對網絡通信的影響，本文以信道接包率預測值為分配標準，實現低頻率動態信道分配來增強WSN的抗干擾能力。每個簇首節點維護一個動態的信道列表Freq［indexmax］。該列表保存所有可供簇首節點選擇的信道。簇首節點計算各簇內節點在其當前信道的接包率，對于發包速率高的節點，直接采用接包率統計值評估信道質量，對于數據交換率較低的節點采用Exponentially-Weighted Moving Average(EWMA)預估器得到接包率的預測值進行評估，EWMA算法如下:

其中:PRRt(m，Freqindex)為簇首n在信道Freqin-dex上對節點m的接包率統計值;Et(m，Freqindex)為本次的接包率預測值;Et－1(m，Freqindex)為前一次的接包率預測值;σ為權重系數。σ起到調節EWMA預估器的作用。當接包率預測值過低時，表示該信道遇到了嚴重的干擾，此時簇首應為受影響節點重新分配信道。

為降低分配頻率，增強網絡對瞬態干擾(電磁設備啟動，移動通信設備等)的容忍度，本文采用了一種滑動閾值信道選擇算法(STCS):首先給定接報率預測值的判定閾值ETH，用numbad統計ET(m，Freq)＜ETH的次數，設定numbad的上下限Nlow和Nhigh，并以N為滑動閾值在Nlow和Nhigh間滑動。當numbad達到切換閾值N時，若下一次預測仍低于ETH，則執行信道切換，選擇信道列表Freq［indexmax］中下一個待選信道作為簇首與該節點簇內通信階段的信道;若下一次預測超過ETH，則表示信道質量已恢復，向Nhigh滑動N以增加對該信道的容忍度，并保持當前信道。STCS算法如圖7所示。

圖7 STCS算法

2．2 分簇網絡的實時路由協議及實現

目前的分簇路由協議主要有:LEACH、TEEN、PAGESIS和HEED等，這些協議均通過周期性地重新分簇，讓節點輪流擔任簇首，目的是均衡簇內成員之間的能量消耗，但存在靠近匯聚點的節點由于負擔過重過早耗盡能量而失效，即“熱區”問題。

本文設計了一種新的非均勻分簇路由算法，基本思路是:利用分布式拓撲控制方法形成非均勻分簇結構，使得靠近匯聚點的簇成員數目相對較小，這樣簇首能夠節約能量。為了能改進通信的實時性，采用首輪所有節點參與競選、后續輪簇內調整的方法替代傳統的隨機激活的周期性簇首選舉策略;同時。在簇首選擇其路由的下一跳節點時，不僅考慮考慮候選節點的剩余能量和相對匯聚點的位置．還引入鏈路可靠性和實時性參數，在傳輸數據的同時對路由進行動態維護和性能優化。

3 監測無線傳感器網絡節點模塊設計

3．1 節點模塊傳感接口設計

針對大型裝備的監測需要，設計了匯源節點、路由節點以及檢測節點，選擇TI公司的超低功耗MSP430作為處理器，射頻通信芯片選用了CC2420，使用2個5號電池供電。檢測節點模塊提供了加速度、電流負載、溫度、聲音、周圍光照等傳感接口，節點模塊的接口如圖8。匯聚節點提供了485和以太網接口。

圖8 節點模塊的傳感接口

加速度接口采用ADXL202芯片，實現同一平面的兩個垂直軸向加速的測量，測量范圍為±2gn。裝備用電負荷的測量需外加一個電流互感器，接口電路采用采樣電阻將電流轉換為電壓信號，將該模擬量送給A/D接口。選用駐極體麥克風作為聲音傳感器，從駐極體麥克風得到的信號非常微弱(mV級)，為了能夠提高信噪比，根據可聽見的聲音的頻率范圍(60 Hz～10 kHz)，在放大電路中間及輸出級間增加了帶通濾波器。針對溫度檢測的應用，采用了數字化溫度傳感器DS18B20，測量溫度范圍為－55℃到+125℃，精確為±0．5℃。節點模塊中采用光敏電阻實現周圍光照信號的檢測。檢測節點通過數據流方式，傳送所有傳感數據。

3．2 現場測試數據與分析

使用本文的無線傳感器網絡監測某高壓開關制造企業的兩臺大型數控裝備，一臺為數控龍門銑床，一臺是車削中心。在數控龍門銑床部署了8個節點模塊，在車削中心部署了6個節點，用來監測大型裝備的振動量、加速度、溫度和用電負荷情況，現場測試數據見表3。

實驗表明，通過對射頻電路優化設計，節點的通訊距離在室內環境下可以達到47 m以上，室外環境下通訊距離可以達到300 m以上，無線傳感器網絡節點的有效傳輸距離明顯提高。采用多信道分簇網絡模型顯著提高了無線傳感器網絡網絡的抗干擾能力和通信效率，相比單信道網絡，丟包率下降30%，吞吐量提高一倍以上。

表3 無線傳感器網絡測試性能

4 結論

利用傳感網大型裝備狀態和能耗實時監測，對保證長期安全運動和節約能耗是非常重要的。論文對無線傳感器網絡的射頻接收電路進行了優化設計，在復雜工業干擾環境下通信距離有了明顯改進。論文提出并實現了一種實用的多信道通信協議，改進了網路的實時性和丟包率。通過現場試驗，表明所開發的無線傳感器系統能能滿足大型裝備在線監測需求。

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