物联通信系统在电机温度在线监测中的应用

曹胜华，徐大可，张 雷

(国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210003)

0 引 言

物联通信系统是物体与物体之间、物体与监控系统之间的通信桥梁。物联系统或物联网由采集被监控物体的传感与感知部分、传感通信网络部分以及智能处理部分组成。物联通信系统就是传感通信网络部分，它采用Zigbee无线通信技术为核心技术，具有成本低、功耗低以及通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性;可实现多设备间的数据采集和数据传输。国内马祖长［1］、孙雨耕［2］等较早开展这方面研究工作。

过热和振动是最常见的电机故障。由于过热而导致电机烧毁的故障，要比振动故障多得多。振动故障比较直观，故障的恶化相对缓慢，直接或间接反映的故障有限。过热故障原因较多，表观性差，故障恶化较快，过热现象能够直接或间接反映的故障也是电机最多见和所占比例相当大的故障。因此，监测温度对于保证电机正常运行、分析故障原因尤为重要。随着科技发展，电气系统的安全要求越来越高，物联网也得到了飞速发展，物联通信系统更加成熟，国内徐志［3］、邓鳌［4］等已开展了无线传感网络和电气设备在线监测相结合的应用研究工作。同时电机温度在线监测系统作为重要的电机在线状态检测技术得到快速发展，为此结合技术发展以及应用需要开展物联通信系统在电机温度在线监测中的应用研究十分必要。

1 物联通信系统介绍

物联通信系统采用Zigbee无线通信技术为核心技术，ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点;ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于产品的互连互通;适用于传感器数据传输与控制的场合。ZigBee协议栈示意图如图1所示。

图1 ZigBee协议栈示意图

物联通信系统主要由终端节点、路由节点和网络协调器组成。终端节点负责用户系统的信息采集数据的传输与控制数据的输送;路由节点负责无线信号的中继传输;网络协调器负责与上位机的监控系统之间的数据交互。

1.1 基本功能

物联通信系统负责建立用户系统与监控系统之间数据交互的通道，并保证该传输的通道及时性和可靠性，包括无线网络的建立、维护、自组织、路由、拓扑等。

1.2 基本特点

(1)功耗低:发射功率为3 dBm左右，如果采用了休眠模式，功耗将更低;

(2)成本低:由于协议栈的复杂度不高，协议免专利费，频段也无需付费;

(3)时延短:节点设备接入通信网络的时延非常短，只需30 ms;节点设备从休眠状态转入工作状态的时延也非常短，只需15 ms;

(4)网络容量大:最多可容纳65 000个设备;

(5)可靠:解决发送数据的竞争和冲突问题方面采取了碰撞避免策略，并预留了专用时隙来满足固定带宽的通信业务需要;解决发送数据包的丢失问题方面采取了完全确认的数据传输模式，确保每个发送的数据包都必须得到接收方的确认信息，假如出现数据包的丢失问题将会进行数据包重发;

(6)安全:数据包完整性检查方面采用了循环冗余校验(CRC)技术，数据包加密方面采用了AES－128的加密技术，数据包内容方面采用独有的通信协议;

(7)数据传输速率:250 kB/s，专注于低速传输应用;

(8)网络自组织，自愈能力强，通信可靠;

(9)工作频段:2.4 GHz免执照频段。

2 电机温度在线监测系统介绍

电机设备的可靠性是确保生产建设正常运行的重要前提，大型、高速、强载、连续运转电机设备的可靠性更为重要。当电机设备发生故障时，轻者影响整个生产过程和造成经济损失，重者造成严重的灾难。电机大多都工作在高温高压环境下，温度过高会导致绝缘老化，缩短电机的使用寿命，甚至会使绝缘损坏而发生烧毁电机的事故，故必须连续实时地监控其温度。因此电机设备一般都安装了电机温度在线监测系统。

电机温度在线监测系统一般由温度传感器、现场采集装置、远程采集系统组成。传统的电机温度在线监测系统采用有线方式组网。目前对于较大容量的电机，在轴承、绕组等部位安装不同类型铂热电阻传感器，并引出到电机外壳上的传感器接线盒中，再通过信号电缆送至现场采集装置，然后通过现场总线传送到远程采集系统测取数据。这种系统需要在电机设备及其周围布置大量信号、通信、供电电缆。当电机设备进行小修、大修时将面临十分繁杂的安装拆卸工作，同时各种电缆长期工作在高温、强腐蚀等工作环境下可靠性将受到严重影响，给系统带来可靠性降低、监测精度下降等一系列问题。

鉴于传统的电机温度在线监测系统的不足，提出一种基于物联通信系统的电机温度在线监测系统设计方案，该方案不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，系统稳定可靠、可维护性好、可扩展性好。

3 解决方案

物联通信系统采用ZigBee无线通信技术为核心技术，适用于传感器数据传输与控制的应用场合。

ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4 GHz的ISM频段、欧洲的868 MHz频段、以及美国的915 MHz频段。ZigBee在2.4 GHz的频段上具有16 个信道，从2.405 ～2.480 GHz间分布，信道间隔是5 MHz，具有很强的信道抗串扰能力，因此选用2.4 GHz频段为工作频段。

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网络。特别是MESH网状网络结构，具有很强的网络健壮性和可靠性。MESH网状网络采用多跳式路由通信，网络容量很大，适合距离较远或比较分散的复杂系统通信，同时网络还具备自组织、自愈功能。因此电机温度在线监测系统选用MESH网状网络拓扑结构。图2为MESH网状网络拓扑结构电机温度在线监测系统示意图。

图2 MESH网状网络拓扑结构温度在线监测系统示意图

电机温度在线监测系统一般由温度传感器、现场采集装置、远程采集系统组成。此系统采用由一个网络协调器、多个路由节点和多个终端节点组成物联通信系统来完成通信功能。

一个系统只有一个网络协调器，它是整个网络的中心节点，它负责协调建立和管理网络。它完成发送网络信标、管理网络节点、存储网络节点信息、搜寻节点间路由、控制远程采集与控制信息的传递工作。它与远程采集系统进行有线连接，协助远程采集系统通过无线方式完成远程采集与控制功能。

一个系统可以有多个路由节点和多个终端节点，路由节点无线通信使用含路由功能和简单通信功能的全功能设备，终端节点无线通信使用只有简单通信功能的精简功能设备。当一个现场采集装置与一个全功能设备进行有线连接后就成为了物联通信系统中一个路由节点，即协助本地现场控制装置完成与远程采集系统无线通信，也协助其它节点完成无线通信。当一个现场采集装置与一个精简功能设备进行有线连接后就成为了物联通信系统中一个终端节点，协助本地现场控制装置完成与远程采集系统无线通信。

工作过程如下:

系统按分配地址方式进行设备识别通信。系统中远程采集系统和现场采集装置都分配有唯一的32位2机制地址码，其中0XFFFF属于广播地址，远程采集系统分配了唯一的地址码0，每个现场采集装置都有属于自己的唯一的地址码(1～0XFFFE);

现场采集装置和温度传感器通过有线进行连接，实时感知现场的温度并转换为标准摄氏温度值保存在现场采集装置中，同时现场采集装置和全功能设备或精简功能设备通过有线进行连接，成为物联通信系统中的路由节点或终端节点;

远程采集系统和网络协调器通过有线进行连接，远程采集系统将带地址码的查询报文传送给网络协调器，网络协调器将接收的查询报文按透明方式无线广播出去;

现场每个路由节点或终端节点利用全功能设备或精简功能设备通过无线接收查询报文，查询报文再通过有线传送给现场采集装置，现场采集装置进行地址码识别和命令识别后，如果需要应答，将组织好应答报文通过有线传送给全功能设备或精简功能设备，这些设备将应答报文按透明方式无线广播;

网络协调器通过无线接收应答报文，再通过有线传送给远程采集系统，远程采集系统进行地址码识别和命令识别后，将相应采集数据进行实时处理和保存，判断电机运行状态，如有异常进行报警。远程采集系统也可以通过以太网和其它监测系统相连，及时将电机温度信息发布到网络上。

4 结 语

物联通信系统是物联网的重要组成部分，是当今无线通信技术领域应用的热点。本文详细描述了基于物联通信系统的电机温度在线监测系统解决方案，重点阐述了系统构成和工作过程。基于物联通信系统的电机温度在线监测系统解决了电机设备监测布线的繁杂与困难，安装简单方便，系统稳定可靠、可维护性好、可扩展性好。随着未来物联网的发展，基于物联通信系统的电机温度在线监测系统将融合到物联网中。

［1］ 马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述［J］.通信学报，2004，25(4):115 －124.

［2］ 孙雨耕，张静，孙永进，等.无线自组传感器网络［J］.传感技术学报，2004(2):331－ －335.

［3］ 徐志，杨永明，王波，等.电机定子温度在线监测的无线传感器网络节点设计［J］.传感器与微系统，2010，29(7):78 －80.

［4］ 邓鳌.无线传感网络在大型机电系统健康监测中的应用［J］.武汉理工大学学报，2006，28(11):125－127.