論基于無線傳感器網絡的機械參量測試

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絡的機械參量測試

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絡引入機械參量測試，該實驗采用無線傳感器網絡組建機械參量測量系統，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，交叉學科的綜合訓練。

無線傳感器網絡;傳感器;實驗;測量

無線傳感器網絡在當前備受國際關注，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域。無線傳感器網絡綜合了無線通信技術、傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術、數字信號處理技術、電源技術。它由部署在檢測區域內大量的傳感器節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，該網絡能夠協作地實時監測、感知、采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，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。無線傳感器網絡在軍事、國家安全、環境科學、交通管理、災害預測、醫療衛生、制造業、城市信息化建設等領域得到了廣泛應用。

然而，將無線傳感器網絡應用于機械參量的測試還處于起步階段，大多數機械參量測量技術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，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絡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絡，從而激發他們的實驗興趣，開拓他們的知識面，培養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，可長期安放在結構上完成長期或周期性測試，克服了傳統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。無線傳感器節點可以組成龐大的無線傳感器網絡，支持上千個測點同時進行測量。無線傳感器網絡是基于ZigBee短程無線網絡技術標準，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、低數據速率、低成本的特點。電子信息技術專業的學生在做無線傳感器網絡實驗時更注重該網絡的電子電路設計及軟件編程，目前這種實驗模板很多，如:Microchip公司推出支持用于無線網絡控制和監視的ZigBee標準協議的2．4GHz演示板和開發平臺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學生利用無線傳感器網絡解決工程問題的需要。經過比較，同時考慮到實驗室現有設備的狀態，最終選擇了北京必創科技有限公司的產品來搭建無線傳感器網絡綜合實驗平臺。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速，這些機械量經無線傳感器節點采集、放大、傳輸，由無線網關接收后，送入計算機進行記錄、顯示、分析、最后得到相關的測試數據。

該實驗系統具有如下特點:

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

二 測試實施

1．傳感器選擇

無線傳感器網絡系統是由以下四個部分組成的:

* 無線傳感器節點(加速度節點、應變節點、扭矩節點、溫濕度節點等)

* 無線網關(USB、USB+GPS)

*BeeNet網絡協議

* BeeData計算機采集處理軟件

圖1 實驗框圖

基于無線傳感器網絡的機械參量測試的節點技術參數見表1:

表1 無線傳感器節點技術參數

由表可以看出:SG802、SG402、TQ201節點的每個通道內置有獨立的高精120Ω－1000Ω橋路電阻和放大調理電路，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，采集的數據既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節點內置的數據存儲器。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．軟件設置

進行完傳感器選型并安裝到位后，即可進行通訊設置。

由于是幾組學生同時在大廳進行實驗，為避免實驗數據在傳輸過程中混淆，要求做好通訊設置，無線傳感器節點與無線網關要進行應答，這可以通過BeeData軟件的操作界面來完成。同時要完成的設置有:

* 通訊端口設置:對使用的計算機USB口進行定義。

* 采集控制設置:根據測點采用的接橋方式對每個測試通道進行橋路設置。

* 采集通道配置:根據測點設置單位、靈敏度、濾波、修正值。

* 實驗記錄信息:設置實驗數據的文件格式及實驗坐標。

3．系統標定

行車上的無線傳感器節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;用振動臺產生三自由度振動來標定加速度傳感器。

4．數據測量、記錄與分析

數據的測量與記錄見圖2。

圖2 測量菜單

菜單說明:

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

* 同步采集:對網關內所有節點進行同步采集。網關內節點會在同一時間開始采集，并會根據必創同步算法進行工作;

* 同步記錄:對網關內的同步采集節點進行同步數據記錄。網關內節點數據會在存儲時標記時間(以同步開始為零時刻)，并將設定存貯時間段內的數據，按設定的存儲格式存入計算機，儲存在相關目錄下，見圖三。

* 開始采樣:對所選組或節點開始采樣。當選定為單個節點時，為當前節點開始采樣;選定網關時，為組內節點開始采樣;

* 停止采樣:對所選組或節點停止采樣。當選定為單個節點時，為當前節點停止采樣;選定網關時，為組內節點停止采樣;

* 采樣記錄:對所選組或節點開始采樣，并將設定存貯時間段內的數據，按設定的存儲格式存入計算機內，存儲在相關目錄下，見圖3。

圖3 同步記錄或采樣記錄

數據的分析:

可以采用第三方軟件來做，也可以采用DataExplr軟件來進行數據回放，讀取均值，均方值，最大值等統計數值，也可做頻譜分析，從而獲取有用信息，見圖4。

圖4 數據瀏覽

三 結語

無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。該無線傳感器網絡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，設計實驗過程，進行無線傳感器節點的安裝，進行通訊設置，制定標定方法，分析測試數據，得出實驗結論，完成實驗報告。他們在實驗中積極主動，團結合作;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。無線傳感器網絡在機械綜合實驗中的應用，為培養機械行業中的創新型、復合型人才起到了重要作用。

［1］徐勇軍，安竹林，蔣文豐，等．無線傳感器網絡實驗教程［M］．北京:北京理工大學出版社，2007．

［2］杜曉明．無線傳感器網絡研究現狀與應用［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無線網絡的溫濕度監測系統［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)