物聯通信系統在電機溫度在線監測中的應用

曹勝華，徐大可，張 雷

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003)

0 引 言

物聯通信系統是物體與物體之間、物體與監控系統之間的通信橋梁。物聯系統或物聯網由采集被監控物體的傳感與感知部分、傳感通信網絡部分以及智能處理部分組成。物聯通信系統就是傳感通信網絡部分，它采用Zigbee無線通信技術為核心技術，具有成本低、功耗低以及通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性;可實現多設備間的數據采集和數據傳輸。國內馬祖長［1］、孫雨耕［2］等較早開展這方面研究工作。

過熱和振動是最常見的電機故障。由于過熱而導致電機燒毀的故障，要比振動故障多得多。振動故障比較直觀，故障的惡化相對緩慢，直接或間接反映的故障有限。過熱故障原因較多，表觀性差，故障惡化較快，過熱現象能夠直接或間接反映的故障也是電機最多見和所占比例相當大的故障。因此，監測溫度對于保證電機正常運行、分析故障原因尤為重要。隨著科技發展，電氣系統的安全要求越來越高，物聯網也得到了飛速發展，物聯通信系統更加成熟，國內徐志［3］、鄧鰲［4］等已開展了無線傳感網絡和電氣設備在線監測相結合的應用研究工作。同時電機溫度在線監測系統作為重要的電機在線狀態檢測技術得到快速發展，為此結合技術發展以及應用需要開展物聯通信系統在電機溫度在線監測中的應用研究十分必要。

1 物聯通信系統介紹

物聯通信系統采用Zigbee無線通信技術為核心技術，ZigBee采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點;ZigBee增加了邏輯網絡、網絡安全和應用軟件，更加適合于產品技術的一致化，利于產品的互連互通;適用于傳感器數據傳輸與控制的場合。ZigBee協議棧示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee協議棧示意圖

物聯通信系統主要由終端節點、路由節點和網絡協調器組成。終端節點負責用戶系統的信息采集數據的傳輸與控制數據的輸送;路由節點負責無線信號的中繼傳輸;網絡協調器負責與上位機的監控系統之間的數據交互。

1.1 基本功能

物聯通信系統負責建立用戶系統與監控系統之間數據交互的通道，并保證該傳輸的通道及時性和可靠性，包括無線網絡的建立、維護、自組織、路由、拓撲等。

1.2 基本特點

(1)功耗低:發射功率為3 dBm左右，如果采用了休眠模式，功耗將更低;

(2)成本低:由于協議棧的復雜度不高，協議免專利費，頻段也無需付費;

(3)時延短:節點設備接入通信網絡的時延非常短，只需30 ms;節點設備從休眠狀態轉入工作狀態的時延也非常短，只需15 ms;

(4)網絡容量大:最多可容納65 000個設備;

(5)可靠:解決發送數據的競爭和沖突問題方面采取了碰撞避免策略，并預留了專用時隙來滿足固定帶寬的通信業務需要;解決發送數據包的丟失問題方面采取了完全確認的數據傳輸模式，確保每個發送的數據包都必須得到接收方的確認信息，假如出現數據包的丟失問題將會進行數據包重發;

(6)安全:數據包完整性檢查方面采用了循環冗余校驗(CRC)技術，數據包加密方面采用了AES－128的加密技術，數據包內容方面采用獨有的通信協議;

(7)數據傳輸速率:250 kB/s，專注于低速傳輸應用;

(8)網絡自組織，自愈能力強，通信可靠;

(9)工作頻段:2.4 GHz免執照頻段。

2 電機溫度在線監測系統介紹

電機設備的可靠性是確保生產建設正常運行的重要前提，大型、高速、強載、連續運轉電機設備的可靠性更為重要。當電機設備發生故障時，輕者影響整個生產過程和造成經濟損失，重者造成嚴重的災難。電機大多都工作在高溫高壓環境下，溫度過高會導致絕緣老化，縮短電機的使用壽命，甚至會使絕緣損壞而發生燒毀電機的事故，故必須連續實時地監控其溫度。因此電機設備一般都安裝了電機溫度在線監測系統。

電機溫度在線監測系統一般由溫度傳感器、現場采集裝置、遠程采集系統組成。傳統的電機溫度在線監測系統采用有線方式組網。目前對于較大容量的電機，在軸承、繞組等部位安裝不同類型鉑熱電阻傳感器，并引出到電機外殼上的傳感器接線盒中，再通過信號電纜送至現場采集裝置，然后通過現場總線傳送到遠程采集系統測取數據。這種系統需要在電機設備及其周圍布置大量信號、通信、供電電纜。當電機設備進行小修、大修時將面臨十分繁雜的安裝拆卸工作，同時各種電纜長期工作在高溫、強腐蝕等工作環境下可靠性將受到嚴重影響，給系統帶來可靠性降低、監測精度下降等一系列問題。

鑒于傳統的電機溫度在線監測系統的不足，提出一種基于物聯通信系統的電機溫度在線監測系統設計方案，該方案不需要任何固定網絡的支持，安裝簡單方便，系統穩定可靠、可維護性好、可擴展性好。

3 解決方案

物聯通信系統采用ZigBee無線通信技術為核心技術，適用于傳感器數據傳輸與控制的應用場合。

ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz頻段、以及美國的915 MHz頻段。ZigBee在2.4 GHz的頻段上具有16 個信道，從2.405 ～2.480 GHz間分布，信道間隔是5 MHz，具有很強的信道抗串擾能力，因此選用2.4 GHz頻段為工作頻段。

ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網絡。特別是MESH網狀網絡結構，具有很強的網絡健壯性和可靠性。MESH網狀網絡采用多跳式路由通信，網絡容量很大，適合距離較遠或比較分散的復雜系統通信，同時網絡還具備自組織、自愈功能。因此電機溫度在線監測系統選用MESH網狀網絡拓撲結構。圖2為MESH網狀網絡拓撲結構電機溫度在線監測系統示意圖。

圖2 MESH網狀網絡拓撲結構溫度在線監測系統示意圖

電機溫度在線監測系統一般由溫度傳感器、現場采集裝置、遠程采集系統組成。此系統采用由一個網絡協調器、多個路由節點和多個終端節點組成物聯通信系統來完成通信功能。

一個系統只有一個網絡協調器，它是整個網絡的中心節點，它負責協調建立和管理網絡。它完成發送網絡信標、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、搜尋節點間路由、控制遠程采集與控制信息的傳遞工作。它與遠程采集系統進行有線連接，協助遠程采集系統通過無線方式完成遠程采集與控制功能。

一個系統可以有多個路由節點和多個終端節點，路由節點無線通信使用含路由功能和簡單通信功能的全功能設備，終端節點無線通信使用只有簡單通信功能的精簡功能設備。當一個現場采集裝置與一個全功能設備進行有線連接后就成為了物聯通信系統中一個路由節點，即協助本地現場控制裝置完成與遠程采集系統無線通信，也協助其它節點完成無線通信。當一個現場采集裝置與一個精簡功能設備進行有線連接后就成為了物聯通信系統中一個終端節點，協助本地現場控制裝置完成與遠程采集系統無線通信。

工作過程如下:

系統按分配地址方式進行設備識別通信。系統中遠程采集系統和現場采集裝置都分配有唯一的32位2機制地址碼，其中0XFFFF屬于廣播地址，遠程采集系統分配了唯一的地址碼0，每個現場采集裝置都有屬于自己的唯一的地址碼(1～0XFFFE);

現場采集裝置和溫度傳感器通過有線進行連接，實時感知現場的溫度并轉換為標準攝氏溫度值保存在現場采集裝置中，同時現場采集裝置和全功能設備或精簡功能設備通過有線進行連接，成為物聯通信系統中的路由節點或終端節點;

遠程采集系統和網絡協調器通過有線進行連接，遠程采集系統將帶地址碼的查詢報文傳送給網絡協調器，網絡協調器將接收的查詢報文按透明方式無線廣播出去;

現場每個路由節點或終端節點利用全功能設備或精簡功能設備通過無線接收查詢報文，查詢報文再通過有線傳送給現場采集裝置，現場采集裝置進行地址碼識別和命令識別后，如果需要應答，將組織好應答報文通過有線傳送給全功能設備或精簡功能設備，這些設備將應答報文按透明方式無線廣播;

網絡協調器通過無線接收應答報文，再通過有線傳送給遠程采集系統，遠程采集系統進行地址碼識別和命令識別后，將相應采集數據進行實時處理和保存，判斷電機運行狀態，如有異常進行報警。遠程采集系統也可以通過以太網和其它監測系統相連，及時將電機溫度信息發布到網絡上。

4 結 語

物聯通信系統是物聯網的重要組成部分，是當今無線通信技術領域應用的熱點。本文詳細描述了基于物聯通信系統的電機溫度在線監測系統解決方案，重點闡述了系統構成和工作過程。基于物聯通信系統的電機溫度在線監測系統解決了電機設備監測布線的繁雜與困難，安裝簡單方便，系統穩定可靠、可維護性好、可擴展性好。隨著未來物聯網的發展，基于物聯通信系統的電機溫度在線監測系統將融合到物聯網中。

［1］ 馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述［J］.通信學報，2004，25(4):115 －124.

［2］ 孫雨耕，張靜，孫永進，等.無線自組傳感器網絡［J］.傳感技術學報，2004(2):331－ －335.

［3］ 徐志，楊永明，王波，等.電機定子溫度在線監測的無線傳感器網絡節點設計［J］.傳感器與微系統，2010，29(7):78 －80.

［4］ 鄧鰲.無線傳感網絡在大型機電系統健康監測中的應用［J］.武漢理工大學學報，2006，28(11):125－127.