基于無線傳感網的紡織機械狀態監測系統

吳云鋒，張懷亮

（1．中南大學，湖南長沙410083;2．長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410124）

基于無線傳感網的紡織機械狀態監測系統

吳云鋒1，2，張懷亮1

（1．中南大學，湖南長沙410083;2．長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410124）

提出了一種基于無線傳感器網的紡織機械設備監測系統，該系統通過在部署紡織機械上的無線傳感器采集數據并傳輸到基站節點，由基站節點統一對采集數據集中進行分析、處理與展示。詳細介紹了系統的體系結構、介質訪問控制協議以及系統實現的硬件配置。

紡織機械;監測系統;無線傳感網;介質訪問控制

為降低設備維護成本，提高產品質量、信息化管理水平與生產效率，對紡織廠機械進行在線監測已成為紡織工業研究的熱點。［1－3］基于計算機的控制及實時狀態監測能大幅度降低設備的故障率、減少設備檢測與維修時間、增加正常運轉時間、提高生產效率。據統計，利用計算機進行實時監測紡織機械的運行狀態，設備維修成本減少55%，故障減少80%。

針對紡織企業中面臨紡織機械監測部署困難的問題，文章提出一種基于無線傳感網（Wireless Sensor Network，WSN）的紡織機械設備監測方法，實現的監測系統具有部署方便、成本低、監測效果好等特點。

1 監測系統結構

如圖1所示，系統由若干個傳感器節點與一個基站構成。傳感器節點的任務只是負責實時地采集紡織機械的數據信息，信息可以通過無線信道傳輸給基站。基站完成了類似服務器的功能，對收集來的數據進行簡要分析、將監測結果報告給監測中心系統作為決策依據，完成一定的信息存儲等。傳感器節點與基站的通信要遵從一定的介質訪問控制（Media Access Control，MAC）通信協議。傳感器節點一般使用電池供電，基站是可以外接電源的。一般無線傳感網要求工作時間較長，而傳感器節點的電池往往不更換，因此，無線傳感網的設計對能耗的要求比較高，在紡織機械監測系統設計過程中需要考慮到盡量降低網絡的能耗。

圖1 基于無線傳感網的紡織機械監測系統結構

從網絡的整體結構來看，采用了較簡單的單跳步網絡拓撲結構，各個傳感器節點都是直接與基站進行通信。這種網絡拓撲結構較簡單，相對于多跳步網絡的拓撲結構而言，不需要設計復雜的路由算法，各種數據報文格式也比較簡單，能耗較低，更加滿足網絡延遲的要求，節點處配置與處理的復雜性大大降低。在無線傳感網絡中，數據傳輸需要的能耗往往占據了全部能耗的絕大部分，單跳步網絡每個節點直接將數據傳輸至基站，而在多跳步的網絡中，數據從節點到基站中間還要經過許多節點不斷尋找下一跳的過程，能耗非常大。另外，在紡織機械監測的過程中，期望某一個節點工作異常不會影響到其他節點的正常工作，只需要處理好異常點至其恢復正常工作即可，單跳步網絡拓撲結構可以滿足此應用需求。

2 介質訪問控制協議

由于在無線傳感網中，存在著節點能量非常有限且難以補充等問題，為了保證應用的無線傳感網絡能夠長期穩定地工作，介質訪問控制協議的設計以節省能耗、最大化網絡壽命為首要的目標，因此，介質訪問控制協議的設計中將引入休眠模式，這是無線傳感網絡介質訪問控制協議設計中一種常用的降低能耗的機制。另外，考慮到網絡對于有新的節點加入或者有節點退出的情況的處理，用于機械監測的無線傳感網可能會出現節點分布及網絡拓撲結構發生變化，介質訪問控制協議應當具備良好的可擴展性。［4］

2．1 協議時序結構

時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）協議本身能夠提供一種自然的數據碰撞的避免機制，而且能量消耗較低，但是，在許多情況下對于存儲有限的傳感器網絡卻并不適用。無論是傳統的時分多址協議本身還是協議的調度機制都不容易實現。如果在整個分布式的傳感器網絡中每一個節點處都維護一個時分多址調度表將會耗費大量的存儲，而這些存儲在這個系統中是非常寶貴的。而采用分布式的時分多址調度表維護的實現方式可能會妨礙系統中其他的需要占用存儲的操作，例如網內的數據處理，因此此操作與各個傳感節點共享著相同的極有限的片上存儲。

為了克服上述問題，為每一個車間設置一個基站來維護時分多址時間槽分配表，此方案可以克服上述分布式管理時分多址分配表帶來的主要問題。每個車間內是一個單跳步無線傳感網絡，所有的傳感器節點都與基站中心節點直接進行通信，這樣，由基站為所有其他節點維護時間槽，中心節點與其他節點之間進行通信就變得容易得多了。通過這種方式，其他分布式的節點不需要維護任何表格或者做任何時間槽調度方案，在這些節點處，無論是存儲空間的占用還是計算復雜性都降低了。

在介質訪問控制協議中，基站按序從各個節點收集信息，具體的順序可以由用戶通過系統用戶界面進行配置，基站獲得用戶配置信息后為各個節點分配時隙。設一個車間內的傳感器節點個數為N，則時間幀的分配方式如圖2所示。

圖2 介質訪問控制協議的時間幀

圖2中每個時間槽稱作一個節點周期，分為喚醒控制階段和數據傳輸階段。事實上，每個傳感器的節點工作模式包括三種：傳輸模式、接收模式和睡眠模式。傳輸模式中，節點通過射頻通道向基站發送數據，在該模式中節點耗能最多;接收模式中，節點通過射頻通道接收來自基站的信息，耗能較少;當節點既不傳輸數據也不接收數據時，就進入睡眠模式。基站的工作采用了一種連續的操作模式，連續地有次序地從各個節點收集數據。每一時刻只有一個節點在向基站傳輸數據，其他節點則處于睡眠狀態。在每個節點的喚醒控制階段，基站向節點發送喚醒包，節點處于接收狀態，該段的時長要保證喚醒包可以從基站傳輸到該節點。數據傳輸階段，節點向基站傳送傳感器監測到的機械的數據，此段的時長要保證節點可以在這段時間內完成數據傳輸。圖2中每個時間槽的具體時序結構如圖3所示。

圖3 介質訪問控制協議的時間槽

在給定了每一個節點的掃描速率、每個節點傳輸數據個數、傳輸頻率以及各個節點傳輸數據的次序的前提下，節點處于睡眠模式時長的計算應用以下方程實現：

其中，St表示所有節點的掃描速率按傳輸次序排列而成的矩陣，U為單位矩陣，Tp為每個節點的時長矩陣，是各個節點分別傳輸數據的個數構成的矩陣，Sd表示最終計算出的網絡中各個節點處于睡眠模式的時長。

2．2 數據包格式

在紡織廠機械設備監測系統中，各個節點的傳感器都要對機械的運行情況進行感知，并將監測到的數據信息反饋至基站，由基站傳輸至監測中心進行分析與處理。

考慮到不同紡織廠的設備種類繁多、差異較大，各個節點反饋的信息可能包括溫度、濕度、壓力等多個物理參數，設計時在介質訪問控制協議數據包的格式中使用16比特表示傳感器監測到的設備的信息。用戶可以根據監測的機械的具體情況來配置數據段，基本能夠滿足大多數紡織廠機械監測的需求。如果在實際應用中設備較簡單，需要監測的數據類型較少，可以只使用其中若干比特，其余比特留作擴展。考慮到同一個紡織廠中，不同類型的設備需要監測的數據不同，另外取1字節作為機器類型的標識。文章涉及的無線傳感網絡是單跳網絡，能耗較低，所以，可以適當多考慮系統的可擴展性，增加其適用性。［5］

基于上述分析，文章對紡織廠機械設備監測系統的介質訪問控制協議作如下設計，數據包格式如表1所示，喚醒包格式如表2所示。

表1 數據包格式

表2 喚醒包格式

2．3 調度機制

介質訪問控制協議的調度主要由基站進行維持。首先，基站收集各個節點的信息，建立節點信息表，根據這些信息得到一個全局的時分多址調度表，包括應當分配給各個節點的時隙數目以及各個節點發送數據的優先順序。該調度表由基站來維護，基站可以獲悉在任意時刻網絡中哪個節點正在與通道相連，任何節點也都可以依據其調度系統立即與通道相連。在協議的調度機制中，引入一種虛擬信號發送機制RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send）。當基站希望某一個節點向其傳輸數據時，會在確認沒有其他節點與基站相連之后產生一個虛擬的RTS信號代表這個節點。節點同時會立即進入喚醒狀態，在傳輸數據之前準備好接受來自基站的喚醒包。隨后，基站向該節點發送一個喚醒包，該喚醒包附有此節點的地址，在接收到喚醒信號之后節點開始傳輸預先準備好的數據。基站在成功接收到數據之后，用“要求睡眠”的信號通知節點，節點即進入睡眠狀態，等待下一次被基站喚醒。

在無線傳感網絡中，若產生了數據碰撞，將會造成明顯的能量浪費，由于信息需要重新傳輸。同時，信息重新傳送有時也會導致調度中出現循環，可能進一步影響未來的數據傳輸。在虛擬RTS機制中，基站會生成虛擬的RTS信號。在正常的網絡操作中任意兩個節點不可能同時競爭通道，即使某一個節點被調度為使用通道而基站正在和其他節點進行通信，在基站結束與當前節點的通信之前，被調度節點的虛擬RTS是不會生成的，這將碰撞的幾率降低到了0。虛擬RTS機制同時也將網絡內節點的競爭的控制開銷降低到了0，這些控制開銷主要來自于一些較短的數據包，其能量消耗非常大。同時，節點處連接通道需要的處理幾乎降為0，節點只是依據計時器睡眠或者醒來。協議的算法流程如下：

1）系統初始化。

2）基站收集節點信息。

3）基站生成時分多址調度表并廣播給各個節點。

4）節點按調度表進入接收狀態，若接收到喚醒包，則轉入5），否則轉入6）。

5）對應節點不休眠，采集機械數據并完成數據傳輸至基站的操作。

6）無數據傳輸，節點進入休眠狀態直至本周期結束;轉入4）。

注意到，系統啟動時所有節點都進入接收狀態，因為經研究發現，接收狀態消耗的能量要比傳輸狀態小得多。通常情況下，在傳輸模式啟動無線電消耗的能量要比在接收模式超出69．78%。圖4是每個節點工作的狀態機。

圖4 無線傳感器節點的有限狀態機

在接收模式中，節點會接收來自基站的命令;在建立狀態，節點會建立各種參數，例如活躍通道、掃描速率、數據個數、序列號、節點類型等，基站隨后會收集這些信息，作為建立時分多址調度表的依據;在睡眠模式，節點會關閉無線通信，但是仍將持續地感應機械的信息，一旦機械發生了緊急狀況或者達到了睡眠時長，節點會跳出睡眠狀態;在傳輸狀態，節點向基站傳輸數據或者傳輸基站所需要的其他節點信息。

2．4 緊急事件處理與報警

紡織機械監測系統可能會因為各種原因出現一些緊急情況，主要指傳感器節點監測到了機械的異常數據，說明機械的運行狀況不正常。為了可以處理這種緊急情況，即使節點正處于睡眠狀態，也必須持續地感應機械的運行狀況，測量相應的物理參數。節點需要不斷地將測量到的數據與一個閥值進行比較，一旦發現測量到的數據超過了閥值，節點就立刻宣告遇到緊急情況，然后占用信道，不斷地將出現緊急狀況的該節點的地址傳輸給基站直到收到基站的回應。

在協議的運行機制中，基站一直處于繁忙狀態，在不斷地和各個節點進行通信。因此，如果某個傳感節點出現了異常狀況，該節點緊急占用信道向基站傳輸自己的地址時，會與正在進行的基站與其他節點的通信造成數據碰撞，從而導致持續的求校驗和的錯誤。但是，根據前文所述，設計的介質訪問控制協議保證了在任何情況下信道上都不會出現數據碰撞的狀況，因此，出現這種情況時，基站會以緊急事件指示的名義打斷這些連續的碰撞，懸掛起當前正在進行的通信操作，并接收處于緊急狀態的傳感器節點的地址。在緊急事件處理完畢之后，基站會重新定位到之前懸掛起的操作，繼續與那時正常占用通道的節點的通信操作。

2．5 可擴展性

對于紡織機械監測系統，一個不可避免的問題就是處理已有節點的退出和新節點的加入問題。如果某一個節點無法在其被調度的時間內進行數據傳輸，就認為該節點退出了，由基站向用戶報告該退出節點的信息（節點類型、地址等）。然后，該節點將被從節點序列中移除，調度會對幀重新進行分派。根據新的時分多址槽序列，剩余節點的睡眠模式時長同時也必須重新計算。每個節點的新的睡眠時長會添加到虛擬CTS信號中，根據當前的時間槽節點序列發送給各個節點。

在該無線傳感網絡中，新節點的加入的情況并不經常發生。要完成有新節點加入的調度，基站會在時分多址幀每重復10次之后，檢查網絡中節點的可用性，一旦檢測到了有新的可用的節點加入，就讀入其節點類型、時分多址槽序列號以及其他節點參數，重新計算各節點睡眠時長，加入到各個節點對應的信息表中，流程重復前文所述的過程。介質訪問控制協議的總體工作流程如圖5所示。

圖5 介質訪問控制協議的總體工作流程

3 系統實現

搭建上述紡織機械監測系統，我們使用了MicroStrain提供的商用的X－link無線監測系統。該系統中一共有三種傳感器節點可用：G－link、SG－link、V－link。其中，G－link支持加速計傳感器，可以實現10G的全程測量;SG－link支持應力傳感器的測量;V－link支持任何可以感應電壓變化的傳感器。在企業的實際生產中，可以根據應用需求引入新的傳感器節點和其相應支持類型的傳感器。每個傳感器節點內部均有一個完整的無線監測系統，其核心是一個Microchip PIC 16f877A微控制器，該微控制器包括一個35條單字指令的RISC CPU、8Kb的閃存、624字節的數據存儲。每個節點另外有2MB的ATMEL連續閃存作為外部數據存儲。節點還包括了一個低功耗的RF單片電路無線收發模塊TR1000，該模塊使用916MHz載頻的OOK（on－off keyed）調制，可以提供高達19．2Kbps的傳輸速率。TR1000在處于數據接收模式時，輸入電流為3．1mA;在數據傳輸模式時，工作電流為12mA;處于睡眠模式時，電流僅為0．7。傳感器節點都是多通道的，單個無線傳感節點最多可以支持8個傳感器的正常工作。每個節點的地址長度為16bit，因此，基站可以同時與216個節點進行連接。所有的節點都支持9V的外部充電電池。基站與終端之間的RS－232通信的波特率為38400b/s。

4 結論

針對紡織企業中面臨紡織機械監測部署困難的問題，設計并實現了一種基于無線傳感網的紡織機械監測系統，該系統具有部署方便、成本低、監測效果好等特點，具有傳統有線方式無法比擬的優勢，具有巨大的應用前景。

［1］丁志榮．紡紗工藝在線設計與監測系統的技術探討［J］．紡織學報，2004，25（3）：26－29．

［2］劉峰．基于PROFIBUS現場總線的雙模頭丙綸紡粘無紡布生產線控制系統［J］．紡織電氣，2006，28（4）：41－44．

［3］高勇．大力振興紡織裝備制造業努力促進紡織產業升級［J］．紡織機械，2006，30（2）：2－7．

［4］丁志榮．紡紗工藝在線設計與監測系統的技術探討［J］．紡織學報，2004，25（3）：26－29．

［5］劉峰．基于PROFIBUS現場總線的雙模頭丙綸紡粘無紡布生產線控制系統［J］．紡織電氣，2006，28（4）：41－44．

［編校：鄧桂萍］

Monitoring Status System of Textile Machines Based on Wireless Sensor Network（WSN）

WU Yunfeng1，2，ZHANG Huailiang1

（1．Central South University，Changsha Hunan 410083; 2．Changsha Aeronautical Vocationl and Technical College，Changsha Hunan 410124）

The paper designs and implements aWireless Sensor Network－based monitoring system for textilemachines．The system，by wireless sensors installed on textile devices，collects data and send them to base site．The base site can perform analysis，execution and display on these data．The paper also presents the design of system architecture，Media Access Control protocol and hardware configuration in detail．

textilemachines;monitoring system;wireless sensor networks;media access control

TP273+．5

A

1671－9654（2012）02－052－05

2012－05－31

吳云鋒（1979－），男，浙江海寧人，講師，在讀碩士研究生，研究方向為機械設計。張懷亮（1964－），男，湖南永州人，教授，研究方向為故障診斷與摩擦學研究。