基于SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水輪機(jī)組機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

謝興旺，劉 好

（武漢東湖學(xué)院 工學(xué)院，湖北 武漢 430212）

基于SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水輪機(jī)組機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

謝興旺，劉 好

（武漢東湖學(xué)院 工學(xué)院，湖北 武漢 430212）

利用SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬軟件平臺(tái)開發(fā)了一套水輪機(jī)組機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)λ啓C(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、傳輸和存儲(chǔ)。水電廠的控制中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并且作出判斷決策，以確保水輪機(jī)組安全運(yùn)行和適時(shí)檢修，降低事故的發(fā)生概率。討論了SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)，6LoWPAN無線通信協(xié)議，基于Java語言的NetBeans軟件開發(fā)平臺(tái)以及SPOT WORLD虛擬機(jī)。介紹了終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，基站的數(shù)據(jù)接收和儲(chǔ)存所用到的接口和類的代碼。

SunSPOT；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；機(jī)械振動(dòng)；水輪機(jī)

0 引言

近年隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式計(jì)算機(jī)技術(shù)、芯片技術(shù)以及傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和相互融合，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）能夠在軍事、工農(nóng)業(yè)和數(shù)字化城市等領(lǐng)域得到應(yīng)用。水輪機(jī)作為水電廠的核心發(fā)電設(shè)備，其長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。利用WSN技術(shù)對(duì)水輪機(jī)的重要零部件如葉輪、主軸承以及變速器的機(jī)械振動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且把這些振動(dòng)信息傳輸?shù)胶笈_(tái)的計(jì)算機(jī)控制中心，由計(jì)算機(jī)對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行處理和分析并且做出故障判斷，在一定程度上預(yù)測(cè)水輪機(jī)組的機(jī)械故障以保證水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)出更多更好的電力。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水輪機(jī)組的振動(dòng)信息，來監(jiān)控水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。針對(duì)水輪機(jī)組的機(jī)械特性和運(yùn)行特征，利用Sun公司所推出的新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備SunSPOT（Small Programmable Object Technology），設(shè)計(jì)出一套WSN控制系統(tǒng)，完成對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行的振動(dòng)信息的采集、傳輸和存儲(chǔ)。從而為水輪機(jī)的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

已有一些學(xué)者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如用于農(nóng)業(yè)灌溉水電管理系統(tǒng)［1］、機(jī)械振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2］、農(nóng)業(yè)科技園滴灌控制系統(tǒng)［3］。雖然WSN得到了一些應(yīng)用，但是由于自身存在的技術(shù)缺陷，如通信距離短、易受干擾、功耗大、電池使用壽命短、擴(kuò)展性差。這些缺陷限制了它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。2005年Sun公司開發(fā)了新一代SPOTWSN，它能夠有效克服上述不足，研究者可充分利用SPOT硬軟件平臺(tái)組建復(fù)雜的WSN，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，滿足生產(chǎn)需求［4］。

1 水輪機(jī)組信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

由于水輪機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，葉輪和主軸承會(huì)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，如果在振動(dòng)的設(shè)備上安裝傳統(tǒng)的有線振動(dòng)傳感器來測(cè)量水輪機(jī)的振動(dòng)信息，則相關(guān)的布線安裝極其困難，后期的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)檢修也十分煩瑣。假如采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以有效克服傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足。圖1為水輪機(jī)組機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 水輪機(jī)組機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

水輪機(jī)振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為3層，第一層是無線傳感器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，把SunSPOT的WSN安放在水輪機(jī)的葉輪、主軸承和變速器等設(shè)備上來采集水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械振動(dòng)信息，然后通過PROFINBUS-DP總線把這些信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制中心；第二層是機(jī)械振動(dòng)信息診斷決策層，包括水電廠的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)控制中心，數(shù)據(jù)備份中心和管理部門的計(jì)算機(jī)。決策層的功能是對(duì)所有機(jī)組的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析以得到水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)典型的機(jī)械故障做出預(yù)測(cè)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的機(jī)械故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷；第三層是水電廠中央控制層，通過因特網(wǎng)中央控制計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)訪問現(xiàn)場(chǎng)控制中心，來合理安排全廠的發(fā)電生產(chǎn)、水輪機(jī)的停機(jī)檢修以及事故的應(yīng)急處理。

1.1 終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)

一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)SPOT單元，由SPOT構(gòu)成的WSN網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)部分，目標(biāo)端（終端節(jié)點(diǎn)）與基站端（匯集節(jié)點(diǎn)）。目標(biāo)端采集水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)信息并且發(fā)送到基站端，基站端接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行預(yù)處理，然后通過PROFINBUS-DP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)中心。

1.2 PROFINBUS-DP網(wǎng)絡(luò)

PROFINBUS（Process Fieldbus）是一種面向工廠自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFINBUS包含PROFINBUS-DP、PROFINBUS-FMS和 PROFIN?BUS-PA 3個(gè)子集。其中PROFINBUS-DP面向工廠現(xiàn)場(chǎng)層，用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度可達(dá)12 Mb/s［5］。由于現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾嚴(yán)重，宜采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確，增加傳輸距離。

1.3 PROFINET以太網(wǎng)

PROFINET實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的統(tǒng)一，能夠兼容各種傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。在水電廠采用PROFINET以太網(wǎng)構(gòu)建通信骨干網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底［5］。

2 基于SunSPOT的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多隨機(jī)分布的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)由無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器模塊以及電源供電管理模塊構(gòu)成［6］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)有：路由協(xié)議技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、MAC協(xié)議以及電源供電管理技術(shù)等。Sun公司推出的新一代Sun?SPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用ARM920T處理器、支持ZigBee協(xié)議的CC2420無線發(fā)射芯片以及Squawk Java虛擬機(jī)［4］。

2.1 SunSPOT的結(jié)構(gòu)

一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)SunSPOT單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的傳感器實(shí)時(shí)采集水輪機(jī)的機(jī)械振動(dòng)信息，并且通過無線通信模塊把信息傳送到上一級(jí)節(jié)點(diǎn)。SunSPOT采用了IEEE802.15.4和6LoWPAN兩種無線通信協(xié)議，通信速率可達(dá)250 kb/s。采用大容量的鋰電池供電，理論待機(jī)時(shí)間達(dá)到 909 d，通訊距離有500 m［4］。

標(biāo)準(zhǔn)的SunSPOT節(jié)點(diǎn)單元包括電源供電管理模塊、傳感器模塊、射頻發(fā)射與接收模塊以及主控制器模塊4個(gè)部分。其中電源管理模塊防止鋰電池的電壓過載，過度充放電。傳感器模塊可以根據(jù)需要方便地進(jìn)行擴(kuò)展，如添加壓力傳感器、溫度傳感器、機(jī)械振動(dòng)傳感器以及流量傳感器等。主控制器采用的是32位低功耗ARM920T，射頻信號(hào)芯片采用CC2420，該款芯片符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz。圖2是標(biāo)準(zhǔn)的SunSPOT無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。

2.2 SunSPOT無線傳感器通信協(xié)議

SunSPOT采用6LoWPAN（IPV6 over Low Pow?er WPAN）通信協(xié)議，該協(xié)議在WPAN的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了IPV6的功能。6LoWPAN將IP擴(kuò)展到無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)從硬軟件兩個(gè)方面節(jié)約電能，因此它能夠和以太網(wǎng)、wifi一起在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［4］。圖3是6LoWPAN協(xié)議棧。

圖2 SunSPOT無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 6LoWPAN協(xié)議棧

SunSPOT無線通信頻率為2.4 GHz，在水輪機(jī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)SunSPOT節(jié)點(diǎn)具有唯一的IEEE擴(kuò)展的MAC地址，ARM920T處理器通過識(shí)別MAC地址來控制訪問SunSPOT節(jié)點(diǎn)。SunSPOT提供了兩種通信協(xié)議：Radiostream協(xié)議和Radiogram協(xié)議。

1）Radiostream協(xié)議。當(dāng)兩個(gè)SunSPOT節(jié)點(diǎn)需要建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer to peer）的通信時(shí)，就可以采用Radiostream協(xié)議，以確保發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠的信息傳遞。在水輪機(jī)機(jī)械振動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)中利用該通信方式把水輪機(jī)終端節(jié)點(diǎn)采集的振動(dòng)信息實(shí)時(shí)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

2）Radiogram協(xié)議。該協(xié)議是一種基于客戶端/服務(wù)器模式的通信協(xié)議，還能夠進(jìn)一步分為兩種方式，一個(gè)是一對(duì)一的客戶端/服務(wù)器方式，另一個(gè)是廣播通信方式。一個(gè)SunSPOT節(jié)點(diǎn)最多有255個(gè)通信端口，在軟件中利用相應(yīng)的指令來具體控制端口的通信方式。SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的多跳網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)可變的，利用Radiogram協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自組織，能夠覆蓋自身的故障檢測(cè)和連接。

3 SunSPOT集成開發(fā)平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)

Sun公司于1995年推出Java語言，由于Java語言具有平臺(tái)無關(guān)性、健壯性和安全性好的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的電子設(shè)備采用Java語言作為軟件的設(shè)計(jì)語言。

在SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中工程師利用NetBeans開發(fā)平臺(tái)，能夠?qū)τ脜R編語言、C語言、VB和VC等編程語言所開發(fā)的軟件進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試、編譯，這極大地提高程序設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)利用SPOT WORLD虛擬機(jī)可以對(duì)SunSPOT無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬軟件的測(cè)試、仿真和理論研究。如將計(jì)算機(jī)與基站連接，就可以在SPOT WORLD虛擬機(jī)平臺(tái)上的SunSPOT節(jié)點(diǎn)與實(shí)際的SunSPOT節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行全雙工通信。

充分利用基于Java語言的NetBeans開發(fā)平臺(tái)和SPOT WORLD虛擬機(jī)具有以下的優(yōu)點(diǎn)［7］：

1）跨平臺(tái)性Java語言編寫的軟件可以在不同的平臺(tái)上運(yùn)行。

2）低功耗802.15.4通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸采用能量管理機(jī)制，以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

3）安全性 802.15.4提供了3級(jí)安全性，由操作系統(tǒng)自動(dòng)分配內(nèi)存，避免病毒通過指針感染系統(tǒng)。

由SPOT構(gòu)成的WSN中，終端節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信是軟件控制的關(guān)鍵，包括現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)信息的采集、發(fā)送和基站接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。有關(guān)接口和類的代碼如下。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送

IVibrationInputSensor il；//實(shí) 例 化 振 動(dòng) 傳感器

RadiogramConnection.conn；//創(chuàng)建一個(gè) Radio?gramConnection鏈接

Datagram dg_send；//通過Datagram進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

dg_send.writeDouble（Vibration）；//采集振動(dòng)信息

conn.send（dg_send）；//發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 基站接收與儲(chǔ)存數(shù)據(jù)

Datagram dg_receive；//聲明數(shù)據(jù)接收包

rdg.receive（dg_receive）；//用 接 收 包 接 收數(shù)據(jù)

RecordStore rms；//創(chuàng)建一個(gè) rms（record man?agement store）

RecordStore.openRecordStore（“test”，true）；//創(chuàng)建一個(gè)名為test的Record Store

Byte［］inputData=new byte［］｛ 12，13，14，15｝；//創(chuàng)建一個(gè)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)組。

4 結(jié)語

利用Sun公司推出的SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，開發(fā)人員方便地利用Java語言和豐富的硬件資源設(shè)計(jì)了一套水輪機(jī)組機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)具有跨平臺(tái)性、低功耗、安全性等特點(diǎn)。

［1］ 黃峰.基于滴灌控制系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2012.

［2］ 邸永峰，湯寶平，蔡巍巍.面向機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試，2012，38（3）：105-108.

［3］ 頡新春，陳文生.基于無線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)灌溉水電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2011，29（12）：143-146.

［4］ 胡耀東，申興發(fā)，戴國(guó)駿.基于SunSPOT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［5］ 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［6］ 杜曉通.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［7］ 劉廣聰，林澤龍，曾江.基于SunSpot無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：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

（責(zé)任編輯：陳 曠）

2013－10－18

謝興旺（1973—），男，助教，碩士生，研究方向：智能機(jī)器人、信息獲取與檢測(cè)技術(shù)。