基于SunSPOT無線傳感器網絡的水輪機組機械振動監(jiān)測系統(tǒng)的研究

謝興旺，劉 好

（武漢東湖學院 工學院，湖北 武漢 430212）

基于SunSPOT無線傳感器網絡的水輪機組機械振動監(jiān)測系統(tǒng)的研究

謝興旺，劉 好

（武漢東湖學院 工學院，湖北 武漢 430212）

利用SunSPOT無線傳感器網絡硬軟件平臺開發(fā)了一套水輪機組機械振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠對水輪機組轉動部件的振動信息進行實時的采集、傳輸和存儲。水電廠的控制中心對這些數(shù)據進行分析、處理并且作出判斷決策，以確保水輪機組安全運行和適時檢修，降低事故的發(fā)生概率。討論了SunSPOT無線傳感器網絡硬件結構，6LoWPAN無線通信協(xié)議，基于Java語言的NetBeans軟件開發(fā)平臺以及SPOT WORLD虛擬機。介紹了終端節(jié)點的數(shù)據采集和傳輸，基站的數(shù)據接收和儲存所用到的接口和類的代碼。

SunSPOT；無線傳感器網絡；機械振動；水輪機

0 引言

近年隨著無線網絡技術、分布式計算機技術、芯片技術以及傳感器技術的快速發(fā)展和相互融合，使得無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）能夠在軍事、工農業(yè)和數(shù)字化城市等領域得到應用。水輪機作為水電廠的核心發(fā)電設備，其長期穩(wěn)定可靠運行具有重大的經濟和社會效益。利用WSN技術對水輪機的重要零部件如葉輪、主軸承以及變速器的機械振動信息進行實時監(jiān)測，并且把這些振動信息傳輸?shù)胶笈_的計算機控制中心，由計算機對振動信息進行處理和分析并且做出故障判斷，在一定程度上預測水輪機組的機械故障以保證水輪機安全穩(wěn)定運行，生產出更多更好的電力。利用無線傳感器網絡實時監(jiān)測水輪機組的振動信息，來監(jiān)控水輪機的運行狀態(tài)具有重大的經濟價值。針對水輪機組的機械特性和運行特征，利用Sun公司所推出的新型無線傳感器網絡設備SunSPOT（Small Programmable Object Technology），設計出一套WSN控制系統(tǒng)，完成對水輪機組運行的振動信息的采集、傳輸和存儲。從而為水輪機的安全生產提供依據。

已有一些學者將無線傳感器網絡技術應用于工業(yè)控制領域，如用于農業(yè)灌溉水電管理系統(tǒng)［1］、機械振動信息監(jiān)測系統(tǒng)［2］、農業(yè)科技園滴灌控制系統(tǒng)［3］。雖然WSN得到了一些應用，但是由于自身存在的技術缺陷，如通信距離短、易受干擾、功耗大、電池使用壽命短、擴展性差。這些缺陷限制了它在工農業(yè)生產中的應用。2005年Sun公司開發(fā)了新一代SPOTWSN，它能夠有效克服上述不足，研究者可充分利用SPOT硬軟件平臺組建復雜的WSN，實現(xiàn)控制目標，滿足生產需求［4］。

1 水輪機組信息監(jiān)測系統(tǒng)的整體設計

由于水輪機在正常運行時，葉輪和主軸承會不停地轉動，如果在振動的設備上安裝傳統(tǒng)的有線振動傳感器來測量水輪機的振動信息，則相關的布線安裝極其困難，后期的監(jiān)測網絡維護檢修也十分煩瑣。假如采用無線傳感器網絡就可以有效克服傳統(tǒng)傳感器網絡的不足。圖1為水輪機組機械振動監(jiān)測系統(tǒng)的整體網絡結構圖。

圖1 水輪機組機械振動監(jiān)測系統(tǒng)的整體網絡結構圖

水輪機振動信息監(jiān)測系統(tǒng)可分為3層，第一層是無線傳感器現(xiàn)場監(jiān)控層，把SunSPOT的WSN安放在水輪機的葉輪、主軸承和變速器等設備上來采集水輪機運轉時的機械振動信息，然后通過PROFINBUS-DP總線把這些信息傳輸?shù)接嬎銠C控制中心；第二層是機械振動信息診斷決策層，包括水電廠的現(xiàn)場計算機控制中心，數(shù)據備份中心和管理部門的計算機。決策層的功能是對所有機組的振動信息進行數(shù)據處理、分析以得到水輪機的運行狀態(tài)，對典型的機械故障做出預測，對已經發(fā)生的機械故障進行準確的診斷；第三層是水電廠中央控制層，通過因特網中央控制計算機可以實時訪問現(xiàn)場控制中心，來合理安排全廠的發(fā)電生產、水輪機的停機檢修以及事故的應急處理。

1.1 終端節(jié)點與匯聚節(jié)點

一個無線傳感器節(jié)點就是一個SPOT單元，由SPOT構成的WSN網絡包含兩個部分，目標端（終端節(jié)點）與基站端（匯集節(jié)點）。目標端采集水輪機轉動部件的振動信息并且發(fā)送到基站端，基站端接收數(shù)據后進行預處理，然后通過PROFINBUS-DP網絡把數(shù)據傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制計算機中心。

1.2 PROFINBUS-DP網絡

PROFINBUS（Process Fieldbus）是一種面向工廠自動化的現(xiàn)場總線標準。PROFINBUS包含PROFINBUS-DP、PROFINBUS-FMS和 PROFIN?BUS-PA 3個子集。其中PROFINBUS-DP面向工廠現(xiàn)場層，用于分布式控制系統(tǒng)設備間的高速數(shù)據傳輸，傳輸速度可達12 Mb/s［5］。由于現(xiàn)場電磁干擾嚴重，宜采用光纖傳輸數(shù)據，以保證數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_，增加傳輸距離。

1.3 PROFINET以太網

PROFINET實現(xiàn)了工業(yè)以太網和實時以太網的統(tǒng)一，能夠兼容各種傳統(tǒng)的現(xiàn)場工業(yè)控制網絡。在水電廠采用PROFINET以太網構建通信骨干網，可以實現(xiàn)一網到底［5］。

2 基于SunSPOT的無線傳感器網絡設計

無線傳感器網絡由許多隨機分布的無線傳感器節(jié)點組成，每個無線傳感器節(jié)點由無線通信模塊、數(shù)據處理模塊、傳感器模塊以及電源供電管理模塊構成［6］。無線傳感器網絡的核心技術有：路由協(xié)議技術、時間同步技術、MAC協(xié)議以及電源供電管理技術等。Sun公司推出的新一代Sun?SPOT無線傳感器網絡平臺，采用ARM920T處理器、支持ZigBee協(xié)議的CC2420無線發(fā)射芯片以及Squawk Java虛擬機［4］。

2.1 SunSPOT的結構

一個無線傳感器節(jié)點就是一個SunSPOT單元，每個節(jié)點上的傳感器實時采集水輪機的機械振動信息，并且通過無線通信模塊把信息傳送到上一級節(jié)點。SunSPOT采用了IEEE802.15.4和6LoWPAN兩種無線通信協(xié)議，通信速率可達250 kb/s。采用大容量的鋰電池供電，理論待機時間達到 909 d，通訊距離有500 m［4］。

標準的SunSPOT節(jié)點單元包括電源供電管理模塊、傳感器模塊、射頻發(fā)射與接收模塊以及主控制器模塊4個部分。其中電源管理模塊防止鋰電池的電壓過載，過度充放電。傳感器模塊可以根據需要方便地進行擴展，如添加壓力傳感器、溫度傳感器、機械振動傳感器以及流量傳感器等。主控制器采用的是32位低功耗ARM920T，射頻信號芯片采用CC2420，該款芯片符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz。圖2是標準的SunSPOT無線傳感器節(jié)點的結構圖。

2.2 SunSPOT無線傳感器通信協(xié)議

SunSPOT采用6LoWPAN（IPV6 over Low Pow?er WPAN）通信協(xié)議，該協(xié)議在WPAN的基礎上實現(xiàn)了IPV6的功能。6LoWPAN將IP擴展到無線工業(yè)網絡，同時從硬軟件兩個方面節(jié)約電能，因此它能夠和以太網、wifi一起在控制領域得到廣泛的應用［4］。圖3是6LoWPAN協(xié)議棧。

圖2 SunSPOT無線傳感器節(jié)點的電路結構圖

圖3 6LoWPAN協(xié)議棧

SunSPOT無線通信頻率為2.4 GHz，在水輪機無線傳感器網絡中每一個SunSPOT節(jié)點具有唯一的IEEE擴展的MAC地址，ARM920T處理器通過識別MAC地址來控制訪問SunSPOT節(jié)點。SunSPOT提供了兩種通信協(xié)議：Radiostream協(xié)議和Radiogram協(xié)議。

1）Radiostream協(xié)議。當兩個SunSPOT節(jié)點需要建立點對點（peer to peer）的通信時，就可以采用Radiostream協(xié)議，以確保發(fā)送接收節(jié)點能夠進行穩(wěn)定可靠的信息傳遞。在水輪機機械振動信息監(jiān)控系統(tǒng)中利用該通信方式把水輪機終端節(jié)點采集的振動信息實時傳送到匯聚節(jié)點。

2）Radiogram協(xié)議。該協(xié)議是一種基于客戶端/服務器模式的通信協(xié)議，還能夠進一步分為兩種方式，一個是一對一的客戶端/服務器方式，另一個是廣播通信方式。一個SunSPOT節(jié)點最多有255個通信端口，在軟件中利用相應的指令來具體控制端口的通信方式。SunSPOT無線傳感器網絡是典型的多跳網絡，其拓撲結構是動態(tài)隨機可變的，利用Radiogram協(xié)議可以實現(xiàn)網絡結構的自組織，能夠覆蓋自身的故障檢測和連接。

3 SunSPOT集成開發(fā)平臺和軟件設計

Sun公司于1995年推出Java語言，由于Java語言具有平臺無關性、健壯性和安全性好的優(yōu)點，越來越多的電子設備采用Java語言作為軟件的設計語言。

在SunSPOT無線傳感器網絡中工程師利用NetBeans開發(fā)平臺，能夠對用匯編語言、C語言、VB和VC等編程語言所開發(fā)的軟件進行測試、調試、編譯，這極大地提高程序設計的效率。同時利用SPOT WORLD虛擬機可以對SunSPOT無線傳感器節(jié)點進行硬軟件的測試、仿真和理論研究。如將計算機與基站連接，就可以在SPOT WORLD虛擬機平臺上的SunSPOT節(jié)點與實際的SunSPOT節(jié)點之間進行全雙工通信。

充分利用基于Java語言的NetBeans開發(fā)平臺和SPOT WORLD虛擬機具有以下的優(yōu)點［7］：

1）跨平臺性Java語言編寫的軟件可以在不同的平臺上運行。

2）低功耗802.15.4通信協(xié)議的數(shù)據傳輸采用能量管理機制，以延長電池的使用時間。

3）安全性 802.15.4提供了3級安全性，由操作系統(tǒng)自動分配內存，避免病毒通過指針感染系統(tǒng)。

由SPOT構成的WSN中，終端節(jié)點與基站之間的通信是軟件控制的關鍵，包括現(xiàn)場機械振動信息的采集、發(fā)送和基站接收、存儲數(shù)據。有關接口和類的代碼如下。

3.1 終端節(jié)點數(shù)據采集與發(fā)送

IVibrationInputSensor il；//實 例 化 振 動 傳感器

RadiogramConnection.conn；//創(chuàng)建一個 Radio?gramConnection鏈接

Datagram dg_send；//通過Datagram進行數(shù)據交換

dg_send.writeDouble（Vibration）；//采集振動信息

conn.send（dg_send）；//發(fā)送數(shù)據。

3.2 基站接收與儲存數(shù)據

Datagram dg_receive；//聲明數(shù)據接收包

rdg.receive（dg_receive）；//用 接 收 包 接 收數(shù)據

RecordStore rms；//創(chuàng)建一個 rms（record man?agement store）

RecordStore.openRecordStore（“test”，true）；//創(chuàng)建一個名為test的Record Store

Byte［］inputData=new byte［］｛ 12，13，14，15｝；//創(chuàng)建一個用于存儲數(shù)據的數(shù)組。

4 結語

利用Sun公司推出的SunSPOT無線傳感器網絡節(jié)點，開發(fā)人員方便地利用Java語言和豐富的硬件資源設計了一套水輪機組機械振動監(jiān)測系統(tǒng)，這套系統(tǒng)具有跨平臺性、低功耗、安全性等特點。

［1］ 黃峰.基于滴灌控制系統(tǒng)的無線傳感器網絡節(jié)點應用技術研究［D］.南京：南京理工大學，2012.

［2］ 邸永峰，湯寶平，蔡巍巍.面向機械振動監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點的設計［J］.中國測試，2012，38（3）：105-108.

［3］ 頡新春，陳文生.基于無線網絡的農業(yè)灌溉水電管理系統(tǒng)設計與應用［J］.水電能源科學，2011，29（12）：143-146.

［4］ 胡耀東，申興發(fā)，戴國駿.基于SunSPOT無線傳感器網絡實驗教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［5］ 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［6］ 杜曉通.無線傳感器網絡技術與工程應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［7］ 劉廣聰，林澤龍，曾江.基于SunSpot無線傳感器網絡的應用研究［J］.現(xiàn)代計算機：下半月版，2010（7）：122-125.

Mechanical Vibration Monitoring System for Water Turbine Based on Sun SPOT Wireless Sensor Network

XIE Xing-wang，LIU Hao
（School of Mechanical and Electronical Engineering，Wuhan Donghu University，Wuhan 430212，Hubei，China）

A set of mechanical vibration monitoring system（MVMS）for water turbine is de?signed using the SunSPOT wireless sensor network（WSN）hardware and software platform.The me?chanical vibration data of the water turbine can be collected，transmitted and stored in real time.The computer control center of the hydropower plant analyses these data and then makes accurate judg?ment.All these can ensure the safe operation of turbine，timely maintenance and reduce the risk of accident.The SunSPOT WSN's hardware structure，6LoWPAN wireless communication protocol（WCP），software development platform based on Java language and SPOT WORLD virtual machine are discussed.In addition，the interface and the class code are introduced which can realize WSN code's data acquisition，transmission and storage.

SunSPOT；wireless sensor network（WSN）；mechanical vibration；water turbine

TN929.5；TP212.9

：A

：1673-0143（2013）06-0056-04

（責任編輯：陳 曠）

2013－10－18

謝興旺（1973—），男，助教，碩士生，研究方向：智能機器人、信息獲取與檢測技術。