基于SunSPOT无线传感器网络的水轮机组机械振动监测系统的研究

谢兴旺，刘 好

（武汉东湖学院 工学院，湖北 武汉 430212）

基于SunSPOT无线传感器网络的水轮机组机械振动监测系统的研究

谢兴旺，刘 好

（武汉东湖学院 工学院，湖北 武汉 430212）

利用SunSPOT无线传感器网络硬软件平台开发了一套水轮机组机械振动监测系统。该系统能够对水轮机组转动部件的振动信息进行实时的采集、传输和存储。水电厂的控制中心对这些数据进行分析、处理并且作出判断决策，以确保水轮机组安全运行和适时检修，降低事故的发生概率。讨论了SunSPOT无线传感器网络硬件结构，6LoWPAN无线通信协议，基于Java语言的NetBeans软件开发平台以及SPOT WORLD虚拟机。介绍了终端节点的数据采集和传输，基站的数据接收和储存所用到的接口和类的代码。

SunSPOT；无线传感器网络；机械振动；水轮机

0 引言

近年随着无线网络技术、分布式计算机技术、芯片技术以及传感器技术的快速发展和相互融合，使得无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）能够在军事、工农业和数字化城市等领域得到应用。水轮机作为水电厂的核心发电设备，其长期稳定可靠运行具有重大的经济和社会效益。利用WSN技术对水轮机的重要零部件如叶轮、主轴承以及变速器的机械振动信息进行实时监测，并且把这些振动信息传输到后台的计算机控制中心，由计算机对振动信息进行处理和分析并且做出故障判断，在一定程度上预测水轮机组的机械故障以保证水轮机安全稳定运行，生产出更多更好的电力。利用无线传感器网络实时监测水轮机组的振动信息，来监控水轮机的运行状态具有重大的经济价值。针对水轮机组的机械特性和运行特征，利用Sun公司所推出的新型无线传感器网络设备SunSPOT（Small Programmable Object Technology），设计出一套WSN控制系统，完成对水轮机组运行的振动信息的采集、传输和存储。从而为水轮机的安全生产提供依据。

已有一些学者将无线传感器网络技术应用于工业控制领域，如用于农业灌溉水电管理系统［1］、机械振动信息监测系统［2］、农业科技园滴灌控制系统［3］。虽然WSN得到了一些应用，但是由于自身存在的技术缺陷，如通信距离短、易受干扰、功耗大、电池使用寿命短、扩展性差。这些缺陷限制了它在工农业生产中的应用。2005年Sun公司开发了新一代SPOTWSN，它能够有效克服上述不足，研究者可充分利用SPOT硬软件平台组建复杂的WSN，实现控制目标，满足生产需求［4］。

1 水轮机组信息监测系统的整体设计

由于水轮机在正常运行时，叶轮和主轴承会不停地转动，如果在振动的设备上安装传统的有线振动传感器来测量水轮机的振动信息，则相关的布线安装极其困难，后期的监测网络维护检修也十分烦琐。假如采用无线传感器网络就可以有效克服传统传感器网络的不足。图1为水轮机组机械振动监测系统的整体网络结构图。

图1 水轮机组机械振动监测系统的整体网络结构图

水轮机振动信息监测系统可分为3层，第一层是无线传感器现场监控层，把SunSPOT的WSN安放在水轮机的叶轮、主轴承和变速器等设备上来采集水轮机运转时的机械振动信息，然后通过PROFINBUS-DP总线把这些信息传输到计算机控制中心；第二层是机械振动信息诊断决策层，包括水电厂的现场计算机控制中心，数据备份中心和管理部门的计算机。决策层的功能是对所有机组的振动信息进行数据处理、分析以得到水轮机的运行状态，对典型的机械故障做出预测，对已经发生的机械故障进行准确的诊断；第三层是水电厂中央控制层，通过因特网中央控制计算机可以实时访问现场控制中心，来合理安排全厂的发电生产、水轮机的停机检修以及事故的应急处理。

1.1 终端节点与汇聚节点

一个无线传感器节点就是一个SPOT单元，由SPOT构成的WSN网络包含两个部分，目标端（终端节点）与基站端（汇集节点）。目标端采集水轮机转动部件的振动信息并且发送到基站端，基站端接收数据后进行预处理，然后通过PROFINBUS-DP网络把数据传输到现场控制计算机中心。

1.2 PROFINBUS-DP网络

PROFINBUS（Process Fieldbus）是一种面向工厂自动化的现场总线标准。PROFINBUS包含PROFINBUS-DP、PROFINBUS-FMS和 PROFIN⁃BUS-PA 3个子集。其中PROFINBUS-DP面向工厂现场层，用于分布式控制系统设备间的高速数据传输，传输速度可达12 Mb/s［5］。由于现场电磁干扰严重，宜采用光纤传输数据，以保证数据传输的准确，增加传输距离。

1.3 PROFINET以太网

PROFINET实现了工业以太网和实时以太网的统一，能够兼容各种传统的现场工业控制网络。在水电厂采用PROFINET以太网构建通信骨干网，可以实现一网到底［5］。

2 基于SunSPOT的无线传感器网络设计

无线传感器网络由许多随机分布的无线传感器节点组成，每个无线传感器节点由无线通信模块、数据处理模块、传感器模块以及电源供电管理模块构成［6］。无线传感器网络的核心技术有：路由协议技术、时间同步技术、MAC协议以及电源供电管理技术等。Sun公司推出的新一代Sun⁃SPOT无线传感器网络平台，采用ARM920T处理器、支持ZigBee协议的CC2420无线发射芯片以及Squawk Java虚拟机［4］。

2.1 SunSPOT的结构

一个无线传感器节点就是一个SunSPOT单元，每个节点上的传感器实时采集水轮机的机械振动信息，并且通过无线通信模块把信息传送到上一级节点。SunSPOT采用了IEEE802.15.4和6LoWPAN两种无线通信协议，通信速率可达250 kb/s。采用大容量的锂电池供电，理论待机时间达到 909 d，通讯距离有500 m［4］。

标准的SunSPOT节点单元包括电源供电管理模块、传感器模块、射频发射与接收模块以及主控制器模块4个部分。其中电源管理模块防止锂电池的电压过载，过度充放电。传感器模块可以根据需要方便地进行扩展，如添加压力传感器、温度传感器、机械振动传感器以及流量传感器等。主控制器采用的是32位低功耗ARM920T，射频信号芯片采用CC2420，该款芯片符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz。图2是标准的SunSPOT无线传感器节点的结构图。

2.2 SunSPOT无线传感器通信协议

SunSPOT采用6LoWPAN（IPV6 over Low Pow⁃er WPAN）通信协议，该协议在WPAN的基础上实现了IPV6的功能。6LoWPAN将IP扩展到无线工业网络，同时从硬软件两个方面节约电能，因此它能够和以太网、wifi一起在控制领域得到广泛的应用［4］。图3是6LoWPAN协议栈。

图2 SunSPOT无线传感器节点的电路结构图

图3 6LoWPAN协议栈

SunSPOT无线通信频率为2.4 GHz，在水轮机无线传感器网络中每一个SunSPOT节点具有唯一的IEEE扩展的MAC地址，ARM920T处理器通过识别MAC地址来控制访问SunSPOT节点。SunSPOT提供了两种通信协议：Radiostream协议和Radiogram协议。

1）Radiostream协议。当两个SunSPOT节点需要建立点对点（peer to peer）的通信时，就可以采用Radiostream协议，以确保发送接收节点能够进行稳定可靠的信息传递。在水轮机机械振动信息监控系统中利用该通信方式把水轮机终端节点采集的振动信息实时传送到汇聚节点。

2）Radiogram协议。该协议是一种基于客户端/服务器模式的通信协议，还能够进一步分为两种方式，一个是一对一的客户端/服务器方式，另一个是广播通信方式。一个SunSPOT节点最多有255个通信端口，在软件中利用相应的指令来具体控制端口的通信方式。SunSPOT无线传感器网络是典型的多跳网络，其拓扑结构是动态随机可变的，利用Radiogram协议可以实现网络结构的自组织，能够覆盖自身的故障检测和连接。

3 SunSPOT集成开发平台和软件设计

Sun公司于1995年推出Java语言，由于Java语言具有平台无关性、健壮性和安全性好的优点，越来越多的电子设备采用Java语言作为软件的设计语言。

在SunSPOT无线传感器网络中工程师利用NetBeans开发平台，能够对用汇编语言、C语言、VB和VC等编程语言所开发的软件进行测试、调试、编译，这极大地提高程序设计的效率。同时利用SPOT WORLD虚拟机可以对SunSPOT无线传感器节点进行硬软件的测试、仿真和理论研究。如将计算机与基站连接，就可以在SPOT WORLD虚拟机平台上的SunSPOT节点与实际的SunSPOT节点之间进行全双工通信。

充分利用基于Java语言的NetBeans开发平台和SPOT WORLD虚拟机具有以下的优点［7］：

1）跨平台性Java语言编写的软件可以在不同的平台上运行。

2）低功耗802.15.4通信协议的数据传输采用能量管理机制，以延长电池的使用时间。

3）安全性 802.15.4提供了3级安全性，由操作系统自动分配内存，避免病毒通过指针感染系统。

由SPOT构成的WSN中，终端节点与基站之间的通信是软件控制的关键，包括现场机械振动信息的采集、发送和基站接收、存储数据。有关接口和类的代码如下。

3.1 终端节点数据采集与发送

IVibrationInputSensor il；//实 例 化 振 动 传感器

RadiogramConnection.conn；//创建一个 Radio⁃gramConnection链接

Datagram dg_send；//通过Datagram进行数据交换

dg_send.writeDouble（Vibration）；//采集振动信息

conn.send（dg_send）；//发送数据。

3.2 基站接收与储存数据

Datagram dg_receive；//声明数据接收包

rdg.receive（dg_receive）；//用 接 收 包 接 收数据

RecordStore rms；//创建一个 rms（record man⁃agement store）

RecordStore.openRecordStore（“test”，true）；//创建一个名为test的Record Store

Byte［］inputData=new byte［］｛ 12，13，14，15｝；//创建一个用于存储数据的数组。

4 结语

利用Sun公司推出的SunSPOT无线传感器网络节点，开发人员方便地利用Java语言和丰富的硬件资源设计了一套水轮机组机械振动监测系统，这套系统具有跨平台性、低功耗、安全性等特点。

［1］ 黄峰.基于滴灌控制系统的无线传感器网络节点应用技术研究［D］.南京：南京理工大学，2012.

［2］ 邸永峰，汤宝平，蔡巍巍.面向机械振动监测的无线传感器网络节点的设计［J］.中国测试，2012，38（3）：105-108.

［3］ 颉新春，陈文生.基于无线网络的农业灌溉水电管理系统设计与应用［J］.水电能源科学，2011，29（12）：143-146.

［4］ 胡耀东，申兴发，戴国骏.基于SunSPOT无线传感器网络实验教程［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［5］ 阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［6］ 杜晓通.无线传感器网络技术与工程应用［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［7］ 刘广聪，林泽龙，曾江.基于SunSpot无线传感器网络的应用研究［J］.现代计算机：下半月版，2010（7）：122-125.

Mechanical Vibration Monitoring System for Water Turbine Based on Sun SPOT Wireless Sensor Network

XIE Xing-wang，LIU Hao
（School of Mechanical and Electronical Engineering，Wuhan Donghu University，Wuhan 430212，Hubei，China）

A set of mechanical vibration monitoring system（MVMS）for water turbine is de⁃signed using the SunSPOT wireless sensor network（WSN）hardware and software platform.The me⁃chanical vibration data of the water turbine can be collected，transmitted and stored in real time.The computer control center of the hydropower plant analyses these data and then makes accurate judg⁃ment.All these can ensure the safe operation of turbine，timely maintenance and reduce the risk of accident.The SunSPOT WSN's hardware structure，6LoWPAN wireless communication protocol（WCP），software development platform based on Java language and SPOT WORLD virtual machine are discussed.In addition，the interface and the class code are introduced which can realize WSN code's data acquisition，transmission and storage.

SunSPOT；wireless sensor network（WSN）；mechanical vibration；water turbine

TN929.5；TP212.9

：A

：1673-0143（2013）06-0056-04

（责任编辑：陈 旷）

2013－10－18

谢兴旺（1973—），男，助教，硕士生，研究方向：智能机器人、信息获取与检测技术。