曹建福,金 楓
(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710049)
利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以以較低的投資和使用成本實(shí)現(xiàn)對(duì)大型裝備的全面監(jiān)測(cè),在線獲取工作狀態(tài)參數(shù),以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制,來達(dá)到提高裝備利用效率和減低能耗的目標(biāo)。無線通信網(wǎng)絡(luò)可減少布線,特別在布線困難、大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械或設(shè)備部件有高度機(jī)動(dòng)性的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合,具有無法替代的優(yōu)勢(shì)。面向工業(yè)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除研究一般自組織網(wǎng)絡(luò)問題外,還要重點(diǎn)解決網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和抗干擾性問題。
在工業(yè)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性研究方面,文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)工業(yè)監(jiān)控用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),結(jié)合TDMA和FDD技術(shù)以減少通信時(shí)延。文獻(xiàn)[2]對(duì)塑料制造系統(tǒng)流體溫度的小型無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),采用TDMA和CSMA/CA技術(shù)提高了實(shí)時(shí)性,但用在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中會(huì)存在信道擁塞。文獻(xiàn)[3]針對(duì)工業(yè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的特點(diǎn),提出一種跨層協(xié)議TREnD,通過數(shù)據(jù)融合、循環(huán)調(diào)度等技術(shù)來提高實(shí)時(shí)性并降低功耗,但沒有對(duì)分簇網(wǎng)絡(luò)劃分問題進(jìn)行有效研究。在工業(yè)環(huán)境下可靠性研究方面,文獻(xiàn)[4]提出了基于樹狀網(wǎng)絡(luò)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(shè)干擾統(tǒng)計(jì)特性已知且固定,這在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]根據(jù)使用頻度進(jìn)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(xié)商通信較多,降低了實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[6-8]等均以多信道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性及吞吐量,但這些協(xié)議大多采用固定信道模式,其中一些還要求節(jié)點(diǎn)配備多個(gè)射頻模塊,離實(shí)際應(yīng)用仍有距離。在射頻電路參數(shù)優(yōu)化方面,文獻(xiàn)[9-10]通過對(duì)PCB天線優(yōu)化,改善了UWB及Wi-Fi的通信質(zhì)量并降低了信號(hào)收發(fā)的功耗需求,文獻(xiàn)[11-13]則給出了提高RFID及藍(lán)牙等無線局域網(wǎng)可靠性的Balun轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方法,但上述方案均沒有對(duì)工作在2.4 GHz頻段的Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)及參數(shù)優(yōu)化,使得該類技術(shù)在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)施存在困難。
考慮到復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下多種干擾對(duì)長距離可靠通信影響很大,論文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的射頻接收電路進(jìn)行了定量分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。為適應(yīng)大型裝備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求,論文利用多信道技術(shù)提出并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)的通信協(xié)議,還研究了裝備監(jiān)測(cè)用各種傳感接口的設(shè)計(jì)技術(shù)。
大型裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效通信半徑達(dá)75 m,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)為網(wǎng)狀,應(yīng)提供自適應(yīng)組網(wǎng)模式及容錯(cuò)控制。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需提供振動(dòng)量、加速度、溫度、壓力等傳感器,實(shí)現(xiàn)無人值守條件下的裝備監(jiān)測(cè)需求;同時(shí),匯聚節(jié)點(diǎn)模塊提供以太網(wǎng)、485接口,以便與Internet接入或車間其它網(wǎng)絡(luò)連接。由于工作環(huán)境較惡劣,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的鏈路狀態(tài)可能不穩(wěn)定,因此監(jiān)測(cè)場(chǎng)合用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)間和空間上的不可預(yù)測(cè)性。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力和通信帶寬都比較小,存儲(chǔ)空間也很有限,因此設(shè)計(jì)的協(xié)議不能太復(fù)雜。另一方面,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)更換監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)往往不方便,有些節(jié)點(diǎn)的更換可能還得停機(jī),成本很高,所以為保證長期工作設(shè)計(jì)的協(xié)議還需要考慮能耗。
與其它短距離無線網(wǎng)絡(luò)相比,ZigBee網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)采用2.4 GHz頻帶,基于IEEE 802.15.4 協(xié)議,它具有成本低、低功耗、低復(fù)雜度等特點(diǎn),特別在強(qiáng)干擾環(huán)境下的傳輸誤碼率很低,因此,本文選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò),所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)見圖1。該監(jiān)測(cè)無線傳感器采用分簇結(jié)構(gòu),簇內(nèi)為一跳網(wǎng)絡(luò),每簇至多63個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn),鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)了多跳路由通信。
圖1 大型裝備監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
工業(yè)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊不僅具備穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)收發(fā),它的設(shè)計(jì)好壞對(duì)通信質(zhì)量影響很大。2.4 GHz無線射頻通信模塊由IEEE802.15.4收發(fā)器芯片、巴倫(Balun)轉(zhuǎn)換電路和天線組成,圖2是射頻接收電路圖。Balun轉(zhuǎn)換電路的作用是實(shí)現(xiàn)收發(fā)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(zhuǎn)換,完成阻抗匹配。目前使用的單芯片結(jié)構(gòu)RF收發(fā)器技術(shù)上較成熟,而且采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù),它有很強(qiáng)的抗干擾能力,因此,無線傳感器接收信號(hào)質(zhì)量與天線和Balun轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)關(guān)系很大。
圖2 射頻接收電路圖
(1)印刷板型微型天線設(shè)計(jì)
在2.4 GHz頻段信號(hào)中,使用的天線類型有:PCB天線、Chip天線和Whip天線,針對(duì)工業(yè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)成本、尺寸方面的要求,需采用PCB天線作為收發(fā)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(duì)稱的環(huán)形PCB微帶傳輸線實(shí)現(xiàn),不需要其它的匹配元件,而單端天線依靠一個(gè)以地為參考的信號(hào),需一個(gè)50 Ω的匹配電阻。差分天線兩臂走線需嚴(yán)格對(duì)稱,對(duì)精度要求高,但由于與發(fā)射管腳直接相連,阻抗匹配誤差難以調(diào)節(jié);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(shù)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(jié)構(gòu)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(qiáng)的倒F天線方案。由于PCB天線的介電常數(shù)、厚度、電路走線路徑、線路寬度、寄生電容電感等都會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量和發(fā)送接收距離有很大影響,因此,需對(duì)倒F天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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(huì)增加天線阻抗,這時(shí)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(duì)特性的影響
通過上面分析計(jì)算和實(shí)際反復(fù)通信試驗(yàn),獲得了如圖4的倒F天線優(yōu)化設(shè)計(jì),具體尺寸如表2。
表2 倒F天線設(shè)計(jì)尺寸 mm
(2)Balun轉(zhuǎn)換電路參數(shù)優(yōu)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(shí)現(xiàn)。對(duì)于LC巴倫電路,可根據(jù)輸入端和輸出端的阻抗要求出計(jì)算的電容電感值,具體計(jì)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(fù)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(fù)責(zé)差分信號(hào)和單端信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配;為了提供直流偏置,RF_P和RF_N之間并聯(lián)電感L61,L61和L62共同作用為CC2420的內(nèi)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(jì)算出的元器件數(shù)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
考慮到大型裝備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性及可靠性的要求,同時(shí)射頻芯片CC2420可以在2.4G頻段的16個(gè)信道上實(shí)現(xiàn)信道轉(zhuǎn)換,本文在ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種動(dòng)靜態(tài)分配相結(jié)合的多信道協(xié)議。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信周期分為簇間通信與簇內(nèi)通信兩個(gè)階段。各簇簇首節(jié)點(diǎn)形成第一層多跳CSMA/CA網(wǎng)絡(luò),各簇簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)形成第二層一跳輪詢網(wǎng)絡(luò),通信流程如圖6所示。固定信道分配應(yīng)用于簇首的網(wǎng)絡(luò)初始化過程。由于分簇網(wǎng)絡(luò)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(nèi)通信基礎(chǔ)信道。各簇首節(jié)點(diǎn)使用相同的競爭機(jī)制,保證只需掌握信道序列及所有一跳鄰簇首的ID號(hào),即可完成信道競爭。為了簡化競爭過程,減少組網(wǎng)時(shí)間,直接比較簇首ID來決定信道競爭結(jié)果。信道分配標(biāo)準(zhǔn)如下:
其中:DFreqn為簇首n分配到的信道序號(hào),F(xiàn)reqindex為本輪待分配的信道序號(hào)。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(nèi)通信基礎(chǔ)信道。此方法有效減少運(yùn)算復(fù)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(tǒng)算法中由生成器非單調(diào)性造成的信道重疊問題。
圖6 多信道MAC協(xié)議的通信流程
在簇內(nèi)通信階段,為避免監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各類干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的影響,本文以信道接包率預(yù)測(cè)值為分配標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)低頻率動(dòng)態(tài)信道分配來增強(qiáng)WSN的抗干擾能力。每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)的信道列表Freq[indexmax]。該列表保存所有可供簇首節(jié)點(diǎn)選擇的信道。簇首節(jié)點(diǎn)計(jì)算各簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在其當(dāng)前信道的接包率,對(duì)于發(fā)包速率高的節(jié)點(diǎn),直接采用接包率統(tǒng)計(jì)值評(píng)估信道質(zhì)量,對(duì)于數(shù)據(jù)交換率較低的節(jié)點(diǎn)采用Exponentially-Weighted Moving Average(EWMA)預(yù)估器得到接包率的預(yù)測(cè)值進(jìn)行評(píng)估,EWMA算法如下:
其中:PRRt(m,F(xiàn)reqindex)為簇首n在信道Freqin-dex上對(duì)節(jié)點(diǎn)m的接包率統(tǒng)計(jì)值;Et(m,F(xiàn)reqindex)為本次的接包率預(yù)測(cè)值;Et-1(m,F(xiàn)reqindex)為前一次的接包率預(yù)測(cè)值;σ為權(quán)重系數(shù)。σ起到調(diào)節(jié)EWMA預(yù)估器的作用。當(dāng)接包率預(yù)測(cè)值過低時(shí),表示該信道遇到了嚴(yán)重的干擾,此時(shí)簇首應(yīng)為受影響節(jié)點(diǎn)重新分配信道。
為降低分配頻率,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)瞬態(tài)干擾(電磁設(shè)備啟動(dòng),移動(dòng)通信設(shè)備等)的容忍度,本文采用了一種滑動(dòng)閾值信道選擇算法(STCS):首先給定接報(bào)率預(yù)測(cè)值的判定閾值ETH,用numbad統(tǒng)計(jì)ET(m,F(xiàn)req)<ETH的次數(shù),設(shè)定numbad的上下限Nlow和Nhigh,并以N為滑動(dòng)閾值在Nlow和Nhigh間滑動(dòng)。當(dāng)numbad達(dá)到切換閾值N時(shí),若下一次預(yù)測(cè)仍低于ETH,則執(zhí)行信道切換,選擇信道列表Freq[indexmax]中下一個(gè)待選信道作為簇首與該節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)通信階段的信道;若下一次預(yù)測(cè)超過ETH,則表示信道質(zhì)量已恢復(fù),向Nhigh滑動(dòng)N以增加對(duì)該信道的容忍度,并保持當(dāng)前信道。STCS算法如圖7所示。
圖7 STCS算法
目前的分簇路由協(xié)議主要有:LEACH、TEEN、PAGESIS和HEED等,這些協(xié)議均通過周期性地重新分簇,讓節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任簇首,目的是均衡簇內(nèi)成員之間的能量消耗,但存在靠近匯聚點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)由于負(fù)擔(dān)過重過早耗盡能量而失效,即“熱區(qū)”問題。
本文設(shè)計(jì)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?fù)淇刂品椒ㄐ纬煞蔷鶆蚍执亟Y(jié)構(gòu),使得靠近匯聚點(diǎn)的簇成員數(shù)目相對(duì)較小,這樣簇首能夠節(jié)約能量。為了能改進(jìn)通信的實(shí)時(shí)性,采用首輪所有節(jié)點(diǎn)參與競選、后續(xù)輪簇內(nèi)調(diào)整的方法替代傳統(tǒng)的隨機(jī)激活的周期性簇首選舉策略;同時(shí)。在簇首選擇其路由的下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí),不僅考慮考慮候選節(jié)點(diǎn)的剩余能量和相對(duì)匯聚點(diǎn)的位置.還引入鏈路可靠性和實(shí)時(shí)性參數(shù),在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)路由進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)和性能優(yōu)化。
針對(duì)大型裝備的監(jiān)測(cè)需要,設(shè)計(jì)了匯源節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及檢測(cè)節(jié)點(diǎn),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(gè)5號(hào)電池供電。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊提供了加速度、電流負(fù)載、溫度、聲音、周圍光照等傳感接口,節(jié)點(diǎn)模塊的接口如圖8。匯聚節(jié)點(diǎn)提供了485和以太網(wǎng)接口。
圖8 節(jié)點(diǎn)模塊的傳感接口
加速度接口采用ADXL202芯片,實(shí)現(xiàn)同一平面的兩個(gè)垂直軸向加速的測(cè)量,測(cè)量范圍為±2gn。裝備用電負(fù)荷的測(cè)量需外加一個(gè)電流互感器,接口電路采用采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),將該模擬量送給A/D接口。選用駐極體麥克風(fēng)作為聲音傳感器,從駐極體麥克風(fēng)得到的信號(hào)非常微弱(mV級(jí)),為了能夠提高信噪比,根據(jù)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(jí)間增加了帶通濾波器。針對(duì)溫度檢測(cè)的應(yīng)用,采用了數(shù)字化溫度傳感器DS18B20,測(cè)量溫度范圍為-55℃到+125℃,精確為±0.5℃。節(jié)點(diǎn)模塊中采用光敏電阻實(shí)現(xiàn)周圍光照信號(hào)的檢測(cè)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)流方式,傳送所有傳感數(shù)據(jù)。
使用本文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)某高壓開關(guān)制造企業(yè)的兩臺(tái)大型數(shù)控裝備,一臺(tái)為數(shù)控龍門銑床,一臺(tái)是車削中心。在數(shù)控龍門銑床部署了8個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊,在車削中心部署了6個(gè)節(jié)點(diǎn),用來監(jiān)測(cè)大型裝備的振動(dòng)量、加速度、溫度和用電負(fù)荷情況,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。
實(shí)驗(yàn)表明,通過對(duì)射頻電路優(yōu)化設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)的通訊距離在室內(nèi)環(huán)境下可以達(dá)到47 m以上,室外環(huán)境下通訊距離可以達(dá)到300 m以上,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離明顯提高。采用多信道分簇網(wǎng)絡(luò)模型顯著提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和通信效率,相比單信道網(wǎng)絡(luò),丟包率下降30%,吞吐量提高一倍以上。
表3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試性能
利用傳感網(wǎng)大型裝備狀態(tài)和能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)保證長期安全運(yùn)動(dòng)和節(jié)約能耗是非常重要的。論文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的射頻接收電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在復(fù)雜工業(yè)干擾環(huán)境下通信距離有了明顯改進(jìn)。論文提出并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的多信道通信協(xié)議,改進(jìn)了網(wǎng)路的實(shí)時(shí)性和丟包率。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),表明所開發(fā)的無線傳感器系統(tǒng)能能滿足大型裝備在線監(jiān)測(cè)需求。
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