大型装备状态监测无线传感器网络的研究*

曹建福，金 枫

(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049)

利用无线传感器网络可以以较低的投资和使用成本实现对大型装备的全面监测，在线获取工作状态参数，以此为基础实施优化控制，来达到提高装备利用效率和减低能耗的目标。无线通信网络可减少布线，特别在布线困难、大型旋转机械或设备部件有高度机动性的监测场合，具有无法替代的优势。面向工业监测的无线传感器网络除研究一般自组织网络问题外，还要重点解决网络的实时性和抗干扰性问题。

在工业监测无线传感器网络的实时性研究方面，文献［1］设计了一个工业监控用无线传感器网络系统，结合TDMA和FDD技术以减少通信时延。文献［2］对塑料制造系统流体温度的小型无线监测网络，采用TDMA和CSMA/CA技术提高了实时性，但用在大规模网络中会存在信道拥塞。文献［3］针对工业监测应用的特点，提出一种跨层协议TREnD，通过数据融合、循环调度等技术来提高实时性并降低功耗，但没有对分簇网络划分问题进行有效研究。在工业环境下可靠性研究方面，文献［4］提出了基于树状网络的多信道分配策略，有效减少信道间干扰并降低了信道切换频率，但假设干扰统计特性已知且固定，这在实际应用中难以实现。文献［5］根据使用频度进行信道选择，很好避免了信道拥塞，但外界干扰的抵御能力有限，而且需协商通信较多，降低了实时性。文献［6－8］等均以多信道结构为基础，改善了无线传感器网络的实时性、抗干扰性及吞吐量，但这些协议大多采用固定信道模式，其中一些还要求节点配备多个射频模块，离实际应用仍有距离。在射频电路参数优化方面，文献［9－10］通过对PCB天线优化，改善了UWB及Wi-Fi的通信质量并降低了信号收发的功耗需求，文献［11－13］则给出了提高RFID及蓝牙等无线局域网可靠性的Balun转换电路设计方法，但上述方案均没有对工作在2．4 GHz频段的Zigbee节点进行有针对性的改进及参数优化，使得该类技术在Zigbee网络中的实施存在困难。

考虑到复杂工业环境下多种干扰对长距离可靠通信影响很大，论文对无线传感器网络的射频接收电路进行了定量分析和优化设计研究。为适应大型装备在线状态监测的要求，论文利用多信道技术提出并实现了一种实时的通信协议，还研究了装备监测用各种传感接口的设计技术。

1 网络结构与射频电路优化设计

1．1 网络总体结构

大型装备状态监测一般要求无线传感器网络的有效通信半径达75 m，网络拓扑结构应为网状，应提供自适应组网模式及容错控制。网络系统需提供振动量、加速度、温度、压力等传感器，实现无人值守条件下的装备监测需求;同时，汇聚节点模块提供以太网、485接口，以便与Internet接入或车间其它网络连接。由于工作环境较恶劣，导致节点之间的链路状态可能不稳定，因此监测场合用无线传感器网络具有时间和空间上的不可预测性。由于传感器网络节点数据处理能力和通信带宽都比较小，存储空间也很有限，因此设计的协议不能太复杂。另一方面，在工业现场更换监测节点往往不方便，有些节点的更换可能还得停机，成本很高，所以为保证长期工作设计的协议还需要考虑能耗。

与其它短距离无线网络相比，ZigBee网络标准采用2．4 GHz频带，基于IEEE 802．15．4 协议，它具有成本低、低功耗、低复杂度等特点，特别在强干扰环境下的传输误码率很低，因此，本文选择ZigBee网络，所设计的监测用无线传感器网络总体结构见图1。该监测无线传感器采用分簇结构，簇内为一跳网络，每簇至多63个簇内节点，邻簇簇首节点间实现了多跳路由通信。

图1 大型装备监测无线传感器网络结构

1．2 射频接收电路参数优化与可靠性设计

工业监测传感器网络节点模块不仅具备稳定有效的无线射频通信功能，而且还必须有感知功能。无线传感器网络节点由无线射频通信模块、微处理器模块、传感器接口、电源管理模块等组成。射频通信模块负责节点之间数据收发，它的设计好坏对通信质量影响很大。2．4 GHz无线射频通信模块由IEEE802．15．4收发器芯片、巴伦(Balun)转换电路和天线组成，图2是射频接收电路图。Balun转换电路的作用是实现收发器射频前端的差分电路和外部的单极子不平衡天线电路之间的转换，完成阻抗匹配。目前使用的单芯片结构RF收发器技术上较成熟，而且采用了直接序列扩频技术，它有很强的抗干扰能力，因此，无线传感器接收信号质量与天线和Balun转换电路的设计关系很大。

图2 射频接收电路图

(1)印刷板型微型天线设计

在2．4 GHz频段信号中，使用的天线类型有:PCB天线、Chip天线和Whip天线，针对工业检测节点成本、尺寸方面的要求，需采用PCB天线作为收发天线。PCB天线有差分天线、单端天线两种类型，差分天线通过对称的环形PCB微带传输线实现，不需要其它的匹配元件，而单端天线依靠一个以地为参考的信号，需一个50 Ω的匹配电阻。差分天线两臂走线需严格对称，对精度要求高，但由于与发射管脚直接相连，阻抗匹配误差难以调节;如果天线两臂的长度是1/2λ，如果把它印制在FR－4介电常数4．5的1．0 mm的板材上，两臂需要的总长度是44．7 mm，占用的空间较大。单端天线尺寸小、结构简单，因此一般使用这种天线，而且常选择其中的抗干扰能力强的倒F天线方案。由于PCB天线的介电常数、厚度、电路走线路径、线路宽度、寄生电容电感等都会对信号质量和发送接收距离有很大影响，因此，需对倒F天线进行优化设计。

印制倒F天线及等效电路如图3所示，图中S为短路传输线长度，L为开路传输线长度，H为高度。

图3 倒F天线等效电路

倒F天线的输入电阻RIFA、输入电抗XIFA和输入阻抗 ZIFA为［9］:

L减小会增加天线阻抗，这时通过减少H和S正好可减小天线的电阻，维持50 Ω阻抗。

表1 天线尺寸对特性的影响

通过上面分析计算和实际反复通信试验，获得了如图4的倒F天线优化设计，具体尺寸如表2。

表2 倒F天线设计尺寸 mm

(2)Balun转换电路参数优化

常用的Balun电路:LC巴伦、集成电路，LC巴伦电路采用电容和电感实现。对于LC巴伦电路，可根据输入端和输出端的阻抗要求出计算的电容电感值，具体计算公式是:

图4 倒F天线

其中，Rout和Rin分别是需要匹配的阻抗值。

CC2420射频接收器的最佳差分负载是(115+j180)欧姆，倒F天线的特征阻抗是50 Ω，电路如图5所示。其中L62/C61和L81/C81分别是LC巴伦电路的LC低通滤波电路和LC高通滤波电路，它们负责差分信号和单端信号之间的转换和阻抗匹配;为了提供直流偏置，RF_P和RF_N之间并联电感L61，L61和L62共同作用为CC2420的内部PA和LNA提供直流偏置;C71是解耦电容，C62是直流隔直电容。计算出的元器件数值为: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% 。

图5 CC2420射频前端Balun电路图

2 无线传感器网络实时协议研究

考虑到大型装备监测系统对实时性及可靠性的要求，同时射频芯片CC2420可以在2．4G频段的16个信道上实现信道转换，本文在ZigBee协议的基础上，设计了一种动静态分配相结合的多信道协议。

2．1 改进的MAC协议及实现方法

整个网络的通信周期分为簇间通信与簇内通信两个阶段。各簇簇首节点形成第一层多跳CSMA/CA网络，各簇簇内节点形成第二层一跳轮询网络，通信流程如图6所示。固定信道分配应用于簇首的网络初始化过程。由于分簇网络中，各簇主体之间有一定距离，故只要保证相邻簇间使用不同信道即可避免簇间的相互干扰，本文以簇首竞争信道的方式为各簇指定簇内通信基础信道。各簇首节点使用相同的竞争机制，保证只需掌握信道序列及所有一跳邻簇首的ID号，即可完成信道竞争。为了简化竞争过程，减少组网时间，直接比较簇首ID来决定信道竞争结果。信道分配标准如下:

其中:DFreqn为簇首n分配到的信道序号，Freqindex为本轮待分配的信道序号。若簇首n的IDn小于所有邻簇簇首的IDni，则簇首n获得信道Freqindex作为簇内通信基础信道。此方法有效减少运算复杂度，并通过ID的唯一性保证了每轮分配的有效性，避免了传统算法中由生成器非单调性造成的信道重叠问题。

图6 多信道MAC协议的通信流程

在簇内通信阶段，为避免监测现场各类干扰对网络通信的影响，本文以信道接包率预测值为分配标准，实现低频率动态信道分配来增强WSN的抗干扰能力。每个簇首节点维护一个动态的信道列表Freq［indexmax］。该列表保存所有可供簇首节点选择的信道。簇首节点计算各簇内节点在其当前信道的接包率，对于发包速率高的节点，直接采用接包率统计值评估信道质量，对于数据交换率较低的节点采用Exponentially-Weighted Moving Average(EWMA)预估器得到接包率的预测值进行评估，EWMA算法如下:

其中:PRRt(m，Freqindex)为簇首n在信道Freqin-dex上对节点m的接包率统计值;Et(m，Freqindex)为本次的接包率预测值;Et－1(m，Freqindex)为前一次的接包率预测值;σ为权重系数。σ起到调节EWMA预估器的作用。当接包率预测值过低时，表示该信道遇到了严重的干扰，此时簇首应为受影响节点重新分配信道。

为降低分配频率，增强网络对瞬态干扰(电磁设备启动，移动通信设备等)的容忍度，本文采用了一种滑动阈值信道选择算法(STCS):首先给定接报率预测值的判定阈值ETH，用numbad统计ET(m，Freq)＜ETH的次数，设定numbad的上下限Nlow和Nhigh，并以N为滑动阈值在Nlow和Nhigh间滑动。当numbad达到切换阈值N时，若下一次预测仍低于ETH，则执行信道切换，选择信道列表Freq［indexmax］中下一个待选信道作为簇首与该节点簇内通信阶段的信道;若下一次预测超过ETH，则表示信道质量已恢复，向Nhigh滑动N以增加对该信道的容忍度，并保持当前信道。STCS算法如图7所示。

图7 STCS算法

2．2 分簇网络的实时路由协议及实现

目前的分簇路由协议主要有:LEACH、TEEN、PAGESIS和HEED等，这些协议均通过周期性地重新分簇，让节点轮流担任簇首，目的是均衡簇内成员之间的能量消耗，但存在靠近汇聚点的节点由于负担过重过早耗尽能量而失效，即“热区”问题。

本文设计了一种新的非均匀分簇路由算法，基本思路是:利用分布式拓扑控制方法形成非均匀分簇结构，使得靠近汇聚点的簇成员数目相对较小，这样簇首能够节约能量。为了能改进通信的实时性，采用首轮所有节点参与竞选、后续轮簇内调整的方法替代传统的随机激活的周期性簇首选举策略;同时。在簇首选择其路由的下一跳节点时，不仅考虑考虑候选节点的剩余能量和相对汇聚点的位置．还引入链路可靠性和实时性参数，在传输数据的同时对路由进行动态维护和性能优化。

3 监测无线传感器网络节点模块设计

3．1 节点模块传感接口设计

针对大型装备的监测需要，设计了汇源节点、路由节点以及检测节点，选择TI公司的超低功耗MSP430作为处理器，射频通信芯片选用了CC2420，使用2个5号电池供电。检测节点模块提供了加速度、电流负载、温度、声音、周围光照等传感接口，节点模块的接口如图8。汇聚节点提供了485和以太网接口。

图8 节点模块的传感接口

加速度接口采用ADXL202芯片，实现同一平面的两个垂直轴向加速的测量，测量范围为±2gn。装备用电负荷的测量需外加一个电流互感器，接口电路采用采样电阻将电流转换为电压信号，将该模拟量送给A/D接口。选用驻极体麦克风作为声音传感器，从驻极体麦克风得到的信号非常微弱(mV级)，为了能够提高信噪比，根据可听见的声音的频率范围(60 Hz～10 kHz)，在放大电路中间及输出级间增加了带通滤波器。针对温度检测的应用，采用了数字化温度传感器DS18B20，测量温度范围为－55℃到+125℃，精确为±0．5℃。节点模块中采用光敏电阻实现周围光照信号的检测。检测节点通过数据流方式，传送所有传感数据。

3．2 现场测试数据与分析

使用本文的无线传感器网络监测某高压开关制造企业的两台大型数控装备，一台为数控龙门铣床，一台是车削中心。在数控龙门铣床部署了8个节点模块，在车削中心部署了6个节点，用来监测大型装备的振动量、加速度、温度和用电负荷情况，现场测试数据见表3。

实验表明，通过对射频电路优化设计，节点的通讯距离在室内环境下可以达到47 m以上，室外环境下通讯距离可以达到300 m以上，无线传感器网络节点的有效传输距离明显提高。采用多信道分簇网络模型显著提高了无线传感器网络网络的抗干扰能力和通信效率，相比单信道网络，丢包率下降30%，吞吐量提高一倍以上。

表3 无线传感器网络测试性能

4 结论

利用传感网大型装备状态和能耗实时监测，对保证长期安全运动和节约能耗是非常重要的。论文对无线传感器网络的射频接收电路进行了优化设计，在复杂工业干扰环境下通信距离有了明显改进。论文提出并实现了一种实用的多信道通信协议，改进了网路的实时性和丢包率。通过现场试验，表明所开发的无线传感器系统能能满足大型装备在线监测需求。

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