無線傳感網(wǎng)絡在機電系統(tǒng)中的應用

葉劍鋒

新疆交通職業(yè)技術學院

本文通過對傳感器在機電系統(tǒng)中的重要性和無線傳感網(wǎng)絡（WSN）的應用分析，指出WSN 作為機電系統(tǒng)未來發(fā)展的關鍵技術之一，在機電系統(tǒng)中將起到重大的作用，也是機電系統(tǒng)實現(xiàn)更高集成度，準確度，可靠度的關鍵因素。同時對WSN 在機電系統(tǒng)中常用的節(jié)點種類，功能，及將來的研究，應用和發(fā)展做出介紹和探討。

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

1 無線傳感網(wǎng)絡與機電系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)總體構成

圖2 系統(tǒng)結構及數(shù)據(jù)傳遞

無線網(wǎng)絡傳感器是一種集傳感器、控制器、計算能力、通信能力于一身的嵌入式設備，將機電系統(tǒng)的初步數(shù)據(jù)處理集成，進行環(huán)境交互，將收集到的數(shù)據(jù)通過節(jié)點傳遞至計算設備，網(wǎng)絡一般集成一個低功耗的微控制器（MCU）以及若于存儲器、無線電/光通信裝置、傳感器等組件，通過傳感器、動臂機構、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)絡的應用領域非常廣闊，它能應用于城市智能交通、軍事、復雜機械監(jiān)控、空間探索、精準農(nóng)業(yè)、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測和預報、智能家居、大型車間和倉庫管理等領域。

機電系統(tǒng)是指由機械與電子緊密結合的多學科集成技術設計出來的產(chǎn)品或制造系統(tǒng)。它是當前老產(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)掀起的利用以微機為代表的微電子技術與機械技術的有機結合，給機械以智能的機電一體化技術革命正在迅猛發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展給機電系統(tǒng)的發(fā)展注入新的方向和動力。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)功能與結構

對機電系統(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)測系統(tǒng)就必須能夠?qū)υO備系統(tǒng)運行的安全，以及各項性能指標指標情況進行實時的監(jiān)測，出現(xiàn)問題能夠及時報警，從而在最短時間內(nèi)采取措施處理。a.對突發(fā)事件的報警：環(huán)境突發(fā)事件主要有火災、危險（有毒）泄漏、放射源丟失等。設置相應的火焰、有毒氣體、放射傳感器，監(jiān)測到隱患狀況及時報警，從而先一步采取措施，進而阻止危險的發(fā)生。b.對工作情況的監(jiān)測：位移、溫度、壓力、流量、電壓、電流等，相關設備的狀態(tài)監(jiān)測。

本文系統(tǒng)總體結構如圖1 所示，詳細構成如圖2 所示。

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

圖3 Sink 節(jié)點設計

圖4 軟件整體設計

圖5 無線傳感器節(jié)點結構框圖

為了達到有效監(jiān)控的目標，設計方案要讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠隨著系統(tǒng)運行，能夠把信息實時、準確地傳送到相關人員手中。因此，每個檢修員、操作員配置節(jié)點，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關設備。Sink節(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡與Internet 等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布監(jiān)測中心的監(jiān)測任務，最后傳至中心系統(tǒng)，節(jié)點設計如圖3 所示。

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

傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本單元，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要負責信息感知、預處理、路由響應、指令接收反饋等。節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的基本保證。其結構框圖如圖5 所示。

主要技術選擇

（1）通信協(xié)議是實現(xiàn)通信的基礎，是數(shù)據(jù)能夠完整可靠傳輸?shù)谋ＷC，在軟件設計中，本文采用自主協(xié)議設置，在制定方面比較靈活?；緟f(xié)議格式如下：

在傳感器網(wǎng)絡中，感知節(jié)點與基點、基點與監(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芯片進行無線收發(fā)。

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

3 存在的問題

系統(tǒng)的安全問題是該設計最大的難點，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)點中的保密信息，或干擾信息的準確度，同時能夠?qū)?jié)點的代碼進行一定程度的修改。其次還存在下列問題：

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

（2）在系統(tǒng)當中應用現(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)絡結構。諸多節(jié)點構成的基點，大量基點構成傳輸網(wǎng)絡，在龐大的系統(tǒng)面前，成網(wǎng)技術和網(wǎng)絡布置是關鍵，如何最大利用資源是組網(wǎng)的關鍵問題。當然，動態(tài)節(jié)點分布和移動型管理系統(tǒng)也是研究方向之一。

4 結語

總之，機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)絡應用使之更上一個臺階。這一新興技術為機電系統(tǒng)提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。當然，由于WSN 本身的特點，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)，希望能夠引起機電一體化研究人員對這一新興技術的重視，推動對這一具有技術變革意義的新技術融合的研究、應用和發(fā)展。