廖立平

(同濟大學機械工程學院，上海200092)

論基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機械參量測試

廖立平

(同濟大學機械工程學院，上海200092)

本文介紹了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入機械參量測試，該實驗采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建機械參量測量系統(tǒng)，從而避免了機械量測量中布線長、布線工作量大，信號傳輸易受干擾的問題，使學生受到多技術(shù)，交叉學科的綜合訓練。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);傳感器;實驗;測量

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在當前備受國際關(guān)注，它涉及的學科多、高度交叉，知識面廣、高度集成的前沿熱點研究領(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)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、電源技術(shù)。它由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，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、國家安全、環(huán)境科學、交通管理、災害預測、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

然而，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用于機械參量的測試還處于起步階段，大多數(shù)機械參量測量技術(shù)的教學仍停留在使用有線來傳遞測試信號上;這與目前的科學脫節(jié)，無疑使學生錯過了接觸綜合性強，多學科交叉訓練的機會。為彌補這一不足，我們將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入機械參量測試的本科實驗教學中，使學生能及早接觸無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而激發(fā)他們的實驗興趣，開拓他們的知識面，培養(yǎng)他們對科學實驗的探究精神。

一 測試方案

無線傳感器具有體型小，安裝方便，可長期安放在結(jié)構(gòu)上完成長期或周期性測試，克服了傳統(tǒng)測試中傳感器安裝困難，布線工作量大，信號傳輸易受干擾的缺陷。無線傳感器節(jié)點可以組成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，支持上千個測點同時進行測量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee短程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準，該標準主要用于短距離無線信號傳輸，具有低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點。電子信息技術(shù)專業(yè)的學生在做無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗時更注重該網(wǎng)絡(luò)的電子電路設(shè)計及軟件編程，目前這種實驗模板很多，如:Microchip公司推出支持用于無線網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)視的ZigBee標準協(xié)議的2．4GHz演示板和開發(fā)平臺PICDEM Z，飛思卡爾的SMAC等等 ，但這些實驗平臺不能滿足機械專業(yè)學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，同時考慮到實驗室現(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)綜合實驗平臺。實驗方案見圖一。

該實驗以車間的行車、機床為被測對象，選擇合適的傳感器測量大車的應變，小車的起吊荷重，機床的油壓，零件加工過程中的切削熱，車床車身的振動，車床主軸的扭矩及轉(zhuǎn)速，這些機械量經(jīng)無線傳感器節(jié)點采集、放大、傳輸，由無線網(wǎng)關(guān)接收后，送入計算機進行記錄、顯示、分析、最后得到相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。

該實驗系統(tǒng)具有如下特點:

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

二 測試實施

1．傳感器選擇

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

* 無線傳感器節(jié)點(加速度節(jié)點、應變節(jié)點、扭矩節(jié)點、溫濕度節(jié)點等)

* 無線網(wǎng)關(guān)(USB、USB+GPS)

*BeeNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

* BeeData計算機采集處理軟件

圖1 實驗框圖

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機械參量測試的節(jié)點技術(shù)參數(shù)見表1:

表1 無線傳感器節(jié)點技術(shù)參數(shù)

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

2．軟件設(shè)置

進行完傳感器選型并安裝到位后，即可進行通訊設(shè)置。

由于是幾組學生同時在大廳進行實驗，為避免實驗數(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)點與無線網(wǎng)關(guān)要進行應答，這可以通過BeeData軟件的操作界面來完成。同時要完成的設(shè)置有:

* 通訊端口設(shè)置:對使用的計算機USB口進行定義。

* 采集控制設(shè)置:根據(jù)測點采用的接橋方式對每個測試通道進行橋路設(shè)置。

* 采集通道配置:根據(jù)測點設(shè)置單位、靈敏度、濾波、修正值。

* 實驗記錄信息:設(shè)置實驗數(shù)據(jù)的文件格式及實驗坐標。

3．系統(tǒng)標定

行車上的無線傳感器節(jié)點采用吊裝標準重塊來完成;壓力傳感器的標準壓力由活塞式壓力計YU600給出;溫度計的標準溫度用恒溫箱給出;用振動臺產(chǎn)生三自由度振動來標定加速度傳感器。

4．數(shù)據(jù)測量、記錄與分析

數(shù)據(jù)的測量與記錄見圖2。

圖2 測量菜單

菜單說明:

* 所有信道顯示清零:對組內(nèi)所有已開通節(jié)點的通道的測量值進行清零，以清零前的數(shù)值為新的零值進行測量;

* 同步采集:對網(wǎng)關(guān)內(nèi)所有節(jié)點進行同步采集。網(wǎng)關(guān)內(nèi)節(jié)點會在同一時間開始采集，并會根據(jù)必創(chuàng)同步算法進行工作;

* 同步記錄:對網(wǎng)關(guān)內(nèi)的同步采集節(jié)點進行同步數(shù)據(jù)記錄。網(wǎng)關(guān)內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)會在存儲時標記時間(以同步開始為零時刻)，并將設(shè)定存貯時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，按設(shè)定的存儲格式存入計算機，儲存在相關(guān)目錄下，見圖三。

* 開始采樣:對所選組或節(jié)點開始采樣。當選定為單個節(jié)點時，為當前節(jié)點開始采樣;選定網(wǎng)關(guān)時，為組內(nèi)節(jié)點開始采樣;

* 停止采樣:對所選組或節(jié)點停止采樣。當選定為單個節(jié)點時，為當前節(jié)點停止采樣;選定網(wǎng)關(guān)時，為組內(nèi)節(jié)點停止采樣;

* 采樣記錄:對所選組或節(jié)點開始采樣，并將設(shè)定存貯時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，按設(shè)定的存儲格式存入計算機內(nèi)，存儲在相關(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軟件來進行數(shù)據(jù)回放，讀取均值，均方值，最大值等統(tǒng)計數(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)實生活中得到了越來越廣泛的應用。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完全滿足機械參量測試要求，學生通過學習，完成實驗用傳感器選型，設(shè)計實驗過程，進行無線傳感器節(jié)點的安裝，進行通訊設(shè)置，制定標定方法，分析測試數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論，完成實驗報告。他們在實驗中積極主動，團結(jié)合作;該實驗自主參與性極強，實驗效果極佳;學生們體驗到了高科技就在自己。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在機械綜合實驗中的應用，為培養(yǎng)機械行業(yè)中的創(chuàng)新型、復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)實驗教程［M］．北京:北京理工大學出版社，2007．

［2］杜曉明．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應用［J］．北京工商大學學報(自然科學版)，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)測系統(tǒng)［J］．機電工程，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，高級工程師，主要從事機械電子研究。

(責任編校 王小飛)