廖立平

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200092)

論基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械參量測(cè)試

廖立平

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200092)

本文介紹了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入機(jī)械參量測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建機(jī)械參量測(cè)量系統(tǒng)，從而避免了機(jī)械量測(cè)量中布線長(zhǎng)、布線工作量大，信號(hào)傳輸易受干擾的問題，使學(xué)生受到多技術(shù)，交叉學(xué)科的綜合訓(xùn)練。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);傳感器;實(shí)驗(yàn);測(cè)量

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前備受國(guó)際關(guān)注，它涉及的學(xué)科多、高度交叉，知識(shí)面廣、高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、電源技術(shù)。它由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，將獲得的信息傳送到需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、國(guó)家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害預(yù)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于機(jī)械參量的測(cè)試還處于起步階段，大多數(shù)機(jī)械參量測(cè)量技術(shù)的教學(xué)仍停留在使用有線來傳遞測(cè)試信號(hào)上;這與目前的科學(xué)脫節(jié)，無疑使學(xué)生錯(cuò)過了接觸綜合性強(qiáng)，多學(xué)科交叉訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。為彌補(bǔ)這一不足，我們將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入機(jī)械參量測(cè)試的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生能及早接觸無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而激發(fā)他們的實(shí)驗(yàn)興趣，開拓他們的知識(shí)面，培養(yǎng)他們對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究精神。

一 測(cè)試方案

無線傳感器具有體型小，安裝方便，可長(zhǎng)期安放在結(jié)構(gòu)上完成長(zhǎng)期或周期性測(cè)試，克服了傳統(tǒng)測(cè)試中傳感器安裝困難，布線工作量大，信號(hào)傳輸易受干擾的缺陷。無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以組成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，支持上千個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee短程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于短距離無線信號(hào)傳輸，具有低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn)。電子信息技術(shù)專業(yè)的學(xué)生在做無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)時(shí)更注重該網(wǎng)絡(luò)的電子電路設(shè)計(jì)及軟件編程，目前這種實(shí)驗(yàn)?zāi)０搴芏?，?Microchip公司推出支持用于無線網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)視的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的2．4GHz演示板和開發(fā)平臺(tái)PICDEM Z，飛思卡爾的SMAC等等 ，但這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能滿足機(jī)械專業(yè)學(xué)生利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決工程問題的需要。經(jīng)過比較，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備的狀態(tài)，最終選擇了北京必創(chuàng)科技有限公司的產(chǎn)品來搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)方案見圖一。

該實(shí)驗(yàn)以車間的行車、機(jī)床為被測(cè)對(duì)象，選擇合適的傳感器測(cè)量大車的應(yīng)變，小車的起吊荷重，機(jī)床的油壓，零件加工過程中的切削熱，車床車身的振動(dòng)，車床主軸的扭矩及轉(zhuǎn)速，這些機(jī)械量經(jīng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集、放大、傳輸，由無線網(wǎng)關(guān)接收后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、顯示、分析、最后得到相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

安裝、使用方便、免除了布線的繁瑣;數(shù)字信號(hào)無線傳輸，避免了電纜帶來的測(cè)試噪聲，測(cè)試精度高，抗干擾能力強(qiáng);專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，確保采集數(shù)據(jù)的精度;無線傳感器節(jié)點(diǎn)超低功耗，體積小，防水設(shè)計(jì)使它可以應(yīng)用在室外。

二 測(cè)試實(shí)施

1．傳感器選擇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由以下四個(gè)部分組成的:

* 無線傳感器節(jié)點(diǎn)(加速度節(jié)點(diǎn)、應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、扭矩節(jié)點(diǎn)、溫濕度節(jié)點(diǎn)等)

* 無線網(wǎng)關(guān)(USB、USB+GPS)

*BeeNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

* BeeData計(jì)算機(jī)采集處理軟件

圖1 實(shí)驗(yàn)框圖

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械參量測(cè)試的節(jié)點(diǎn)技術(shù)參數(shù)見表1:

表1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)參數(shù)

由表可以看出:SG802、SG402、TQ201節(jié)點(diǎn)的每個(gè)通道內(nèi)置有獨(dú)立的高精120Ω－1000Ω橋路電阻和放大調(diào)理電路，可以方便地由軟件自動(dòng)切換選擇1/4橋、半橋、全橋測(cè)量方式，兼容各種類型的橋路傳感器，比如應(yīng)變，載荷，扭矩，位移等采用應(yīng)變片做敏感元件的傳感器，采集的數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)無線傳輸至計(jì)算機(jī)，也可以存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此我們選擇了上海應(yīng)變計(jì)廠的120Ω的電阻應(yīng)變計(jì)來進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量及扭矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量，選擇拉力傳感器BLR－1型1T測(cè)量吊重，選擇BPR－2型7Mpa壓力傳感器測(cè)油壓;TC402可以外接各種熱電阻及熱點(diǎn)偶，所以我們將熱電偶預(yù)埋在被加工的零件中測(cè)量切削熱;A302是自帶振動(dòng)傳感器，所以只要選擇合適的位置安裝即可。

2．軟件設(shè)置

進(jìn)行完傳感器選型并安裝到位后，即可進(jìn)行通訊設(shè)置。

由于是幾組學(xué)生同時(shí)在大廳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中混淆，要求做好通訊設(shè)置，無線傳感器節(jié)點(diǎn)與無線網(wǎng)關(guān)要進(jìn)行應(yīng)答，這可以通過BeeData軟件的操作界面來完成。同時(shí)要完成的設(shè)置有:

* 通訊端口設(shè)置:對(duì)使用的計(jì)算機(jī)USB口進(jìn)行定義。

* 采集控制設(shè)置:根據(jù)測(cè)點(diǎn)采用的接橋方式對(duì)每個(gè)測(cè)試通道進(jìn)行橋路設(shè)置。

* 采集通道配置:根據(jù)測(cè)點(diǎn)設(shè)置單位、靈敏度、濾波、修正值。

* 實(shí)驗(yàn)記錄信息:設(shè)置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文件格式及實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)。

3．系統(tǒng)標(biāo)定

行車上的無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用吊裝標(biāo)準(zhǔn)重塊來完成;壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)壓力由活塞式壓力計(jì)YU600給出;溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)溫度用恒溫箱給出;用振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生三自由度振動(dòng)來標(biāo)定加速度傳感器。

4．?dāng)?shù)據(jù)測(cè)量、記錄與分析

數(shù)據(jù)的測(cè)量與記錄見圖2。

圖2 測(cè)量菜單

菜單說明:

* 所有信道顯示清零:對(duì)組內(nèi)所有已開通節(jié)點(diǎn)的通道的測(cè)量值進(jìn)行清零，以清零前的數(shù)值為新的零值進(jìn)行測(cè)量;

* 同步采集:對(duì)網(wǎng)關(guān)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步采集。網(wǎng)關(guān)內(nèi)節(jié)點(diǎn)會(huì)在同一時(shí)間開始采集，并會(huì)根據(jù)必創(chuàng)同步算法進(jìn)行工作;

* 同步記錄:對(duì)網(wǎng)關(guān)內(nèi)的同步采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)記錄。網(wǎng)關(guān)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)在存儲(chǔ)時(shí)標(biāo)記時(shí)間(以同步開始為零時(shí)刻)，并將設(shè)定存貯時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，按設(shè)定的存儲(chǔ)格式存入計(jì)算機(jī)，儲(chǔ)存在相關(guān)目錄下，見圖三。

* 開始采樣:對(duì)所選組或節(jié)點(diǎn)開始采樣。當(dāng)選定為單個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)開始采樣;選定網(wǎng)關(guān)時(shí)，為組內(nèi)節(jié)點(diǎn)開始采樣;

* 停止采樣:對(duì)所選組或節(jié)點(diǎn)停止采樣。當(dāng)選定為單個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)停止采樣;選定網(wǎng)關(guān)時(shí)，為組內(nèi)節(jié)點(diǎn)停止采樣;

* 采樣記錄:對(duì)所選組或節(jié)點(diǎn)開始采樣，并將設(shè)定存貯時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，按設(shè)定的存儲(chǔ)格式存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，存儲(chǔ)在相關(guān)目錄下，見圖3。

圖3 同步記錄或采樣記錄

數(shù)據(jù)的分析:

可以采用第三方軟件來做，也可以采用DataExplr軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，讀取均值，均方值，最大值等統(tǒng)計(jì)數(shù)值，也可做頻譜分析，從而獲取有用信息，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)瀏覽

三 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完全滿足機(jī)械參量測(cè)試要求，學(xué)生通過學(xué)習(xí)，完成實(shí)驗(yàn)用傳感器選型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)行無線傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝，進(jìn)行通訊設(shè)置，制定標(biāo)定方法，分析測(cè)試數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中積極主動(dòng)，團(tuán)結(jié)合作;該實(shí)驗(yàn)自主參與性極強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果極佳;學(xué)生們體驗(yàn)到了高科技就在自己。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，為培養(yǎng)機(jī)械行業(yè)中的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才起到了重要作用。

［1］徐勇軍，安竹林，蔣文豐，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2007．

［2］杜曉明．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用［J］．北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(1)．

［3］尹 航，張奇松，程志林．基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．機(jī)電工程，2008(11)．

TN98

A

1674－5884(2012)05－0178－03

2012－03－18

廖立平(1963－)，女，湖南湘鄉(xiāng)人，副教授，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械電子研究。

(責(zé)任編校 王小飛)