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        無線傳感網(wǎng)絡(luò)在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2014-01-02 07:31:16葉劍鋒
        中國(guó)科技信息 2014年24期
        關(guān)鍵詞:傳感機(jī)電無線

        葉劍鋒

        新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院

        本文通過對(duì)傳感器在機(jī)電系統(tǒng)中的重要性和無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)的應(yīng)用分析,指出WSN 作為機(jī)電系統(tǒng)未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,在機(jī)電系統(tǒng)中將起到重大的作用,也是機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高集成度,準(zhǔn)確度,可靠度的關(guān)鍵因素。同時(shí)對(duì)WSN 在機(jī)電系統(tǒng)中常用的節(jié)點(diǎn)種類,功能,及將來的研究,應(yīng)用和發(fā)展做出介紹和探討。

        傳感器在機(jī)電系統(tǒng)中起到重要作用,是機(jī)電系統(tǒng)(或產(chǎn)品)發(fā)展的重要技術(shù)之一,廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線和產(chǎn)品之中,處于系統(tǒng)之首,其作用相當(dāng)于感受器官,能快速、有效地獲取系統(tǒng)各項(xiàng)信息,是機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)化水平的標(biāo)志。缺少傳感器可靠的檢測(cè),那么系統(tǒng)的信息獲取、處理、決策等將無法實(shí)現(xiàn)。目前,基于WSN 的傳感技術(shù)發(fā)展日新月異,并逐漸應(yīng)用到機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中,提升機(jī)電系統(tǒng)的智能水平。

        1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與機(jī)電系統(tǒng)

        圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

        圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳遞

        無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是一種集傳感器、控制器、計(jì)算能力、通信能力于一身的嵌入式設(shè)備,將機(jī)電系統(tǒng)的初步數(shù)據(jù)處理集成,進(jìn)行環(huán)境交互,將收集到的數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)傳遞至計(jì)算設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)一般集成一個(gè)低功耗的微控制器(MCU)以及若于存儲(chǔ)器、無線電/光通信裝置、傳感器等組件,通過傳感器、動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、以及通信裝置和它們所處的外界物理環(huán)境交互。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊,它能應(yīng)用于城市智能交通、軍事、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、空間探索、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、智能家居、大型車間和倉庫管理等領(lǐng)域。

        機(jī)電系統(tǒng)是指由機(jī)械與電子緊密結(jié)合的多學(xué)科集成技術(shù)設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品或制造系統(tǒng)。它是當(dāng)前老產(chǎn)品更新?lián)Q代和新產(chǎn)品研制開發(fā)的方向。近年來,在世界范圍內(nèi)掀起的利用以微機(jī)為代表的微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,給機(jī)械以智能的機(jī)電一體化技術(shù)革命正在迅猛發(fā)展,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展給機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展注入新的方向和動(dòng)力。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

        對(duì)機(jī)電系統(tǒng)來說,安全穩(wěn)定、信息的傳輸?shù)馁|(zhì)量都是很重要的,那么監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就必須能夠?qū)υO(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的安全,以及各項(xiàng)性能指標(biāo)指標(biāo)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),出現(xiàn)問題能夠及時(shí)報(bào)警,從而在最短時(shí)間內(nèi)采取措施處理。a.對(duì)突發(fā)事件的報(bào)警:環(huán)境突發(fā)事件主要有火災(zāi)、危險(xiǎn)(有毒)泄漏、放射源丟失等。設(shè)置相應(yīng)的火焰、有毒氣體、放射傳感器,監(jiān)測(cè)到隱患狀況及時(shí)報(bào)警,從而先一步采取措施,進(jìn)而阻止危險(xiǎn)的發(fā)生。b.對(duì)工作情況的監(jiān)測(cè):位移、溫度、壓力、流量、電壓、電流等,相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

        本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示,詳細(xì)構(gòu)成如圖2 所示。

        數(shù)據(jù)采集主要是節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的感知,數(shù)據(jù)處理是基點(diǎn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的信息進(jìn)行分析整理,數(shù)據(jù)管理是監(jiān)控中心對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的信息管理以及命令的發(fā)布。

        圖3 Sink 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

        圖4 軟件整體設(shè)計(jì)

        圖5 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

        為了達(dá)到有效監(jiān)控的目標(biāo),設(shè)計(jì)方案要讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠隨著系統(tǒng)運(yùn)行,能夠把信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到相關(guān)人員手中。因此,每個(gè)檢修員、操作員配置節(jié)點(diǎn),也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。Sink節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,同時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)任務(wù),最后傳至中心系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

        系統(tǒng)在正常情況下采用輪詢方式對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,但不得修訂,如果檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常則不間斷發(fā)出異常信號(hào),直至得到處理。底層硬件驅(qū)動(dòng)層程序編寫,定義接口函數(shù),為監(jiān)控中心的調(diào)用提供支持。軟件整體設(shè)計(jì)如圖4。

        傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)信息感知、預(yù)處理、路由響應(yīng)、指令接收反饋等。節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

        主要技術(shù)選擇

        (1)通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)通信的基礎(chǔ),是數(shù)據(jù)能夠完整可靠傳輸?shù)谋WC,在軟件設(shè)計(jì)中,本文采用自主協(xié)議設(shè)置,在制定方面比較靈活。基本協(xié)議格式如下:

        在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,感知節(jié)點(diǎn)與基點(diǎn)、基點(diǎn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息都需要無線通信方式完成。采用的 CC1010芯片進(jìn)行無線收發(fā)。

        (2)編程環(huán)境選擇Keil C51,其是美國(guó)Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng),與匯編相比,C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì),因而易學(xué)易用。

        3 存在的問題

        系統(tǒng)的安全問題是該設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn),采用無線傳輸?shù)姆绞?,攻擊者較為容易攻擊安全漏洞,來讀取節(jié)點(diǎn)中的保密信息,或干擾信息的準(zhǔn)確度,同時(shí)能夠?qū)?jié)點(diǎn)的代碼進(jìn)行一定程度的修改。其次還存在下列問題:

        (1)機(jī)電系統(tǒng)由于有大量的電磁設(shè)備的存在,因此干擾較大,且現(xiàn)在的不同制式的通信網(wǎng)絡(luò)相互也存在影響,使得在通信通道和發(fā)射強(qiáng)度上都需要進(jìn)行改良。

        (2)在系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用現(xiàn)代科技較多,使其系統(tǒng)的集成化越來越高,存在成本問題。若采用大量的傳感器來反映系統(tǒng)信息,則受到限制。

        (3)能量對(duì)于無線傳感來說是首要問題,如何通過無線能量傳輸是急待解決的問題,主要有:無線電波、QI協(xié)議、光電池。當(dāng)然,降低能量消耗也是研究方向之一。

        (4)高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。諸多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基點(diǎn),大量基點(diǎn)構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò),在龐大的系統(tǒng)面前,成網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)布置是關(guān)鍵,如何最大利用資源是組網(wǎng)的關(guān)鍵問題。當(dāng)然,動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)分布和移動(dòng)型管理系統(tǒng)也是研究方向之一。

        4 結(jié)語

        總之,機(jī)電一體化隨著信息化的深入,在科技的發(fā)展中越來越顯示出其重要地位,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使之更上一個(gè)臺(tái)階。這一新興技術(shù)為機(jī)電系統(tǒng)提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。當(dāng)然,由于WSN 本身的特點(diǎn),給人們提出了很多新的挑戰(zhàn),希望能夠引起機(jī)電一體化研究人員對(duì)這一新興技術(shù)的重視,推動(dòng)對(duì)這一具有技術(shù)變革意義的新技術(shù)融合的研究、應(yīng)用和發(fā)展。

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