無線傳感網絡在機電系統中的應用

葉劍鋒

新疆交通職業技術學院

本文通過對傳感器在機電系統中的重要性和無線傳感網絡（WSN）的應用分析，指出WSN 作為機電系統未來發展的關鍵技術之一，在機電系統中將起到重大的作用，也是機電系統實現更高集成度，準確度，可靠度的關鍵因素。同時對WSN 在機電系統中常用的節點種類，功能，及將來的研究，應用和發展做出介紹和探討。

傳感器在機電系統中起到重要作用，是機電系統（或產品）發展的重要技術之一，廣泛應用于各種自動化生產線和產品之中，處于系統之首，其作用相當于感受器官，能快速、有效地獲取系統各項信息，是機電系統自動化水平的標志。缺少傳感器可靠的檢測，那么系統的信息獲取、處理、決策等將無法實現。目前，基于WSN 的傳感技術發展日新月異，并逐漸應用到機電系統當中，提升機電系統的智能水平。

1 無線傳感網絡與機電系統

圖1 系統總體構成

圖2 系統結構及數據傳遞

無線網絡傳感器是一種集傳感器、控制器、計算能力、通信能力于一身的嵌入式設備，將機電系統的初步數據處理集成，進行環境交互，將收集到的數據通過節點傳遞至計算設備，網絡一般集成一個低功耗的微控制器（MCU）以及若于存儲器、無線電/光通信裝置、傳感器等組件，通過傳感器、動臂機構、以及通信裝置和它們所處的外界物理環境交互。無線傳感器網絡的應用領域非常廣闊，它能應用于城市智能交通、軍事、復雜機械監控、空間探索、精準農業、建筑物狀態監控、環境監測和預報、智能家居、大型車間和倉庫管理等領域。

機電系統是指由機械與電子緊密結合的多學科集成技術設計出來的產品或制造系統。它是當前老產品更新換代和新產品研制開發的方向。近年來，在世界范圍內掀起的利用以微機為代表的微電子技術與機械技術的有機結合，給機械以智能的機電一體化技術革命正在迅猛發展，無線傳感網絡的發展給機電系統的發展注入新的方向和動力。

2 系統設計

系統功能與結構

對機電系統來說，安全穩定、信息的傳輸的質量都是很重要的，那么監測系統就必須能夠對設備系統運行的安全，以及各項性能指標指標情況進行實時的監測，出現問題能夠及時報警，從而在最短時間內采取措施處理。a.對突發事件的報警：環境突發事件主要有火災、危險（有毒）泄漏、放射源丟失等。設置相應的火焰、有毒氣體、放射傳感器，監測到隱患狀況及時報警，從而先一步采取措施，進而阻止危險的發生。b.對工作情況的監測：位移、溫度、壓力、流量、電壓、電流等，相關設備的狀態監測。

本文系統總體結構如圖1 所示，詳細構成如圖2 所示。

數據采集主要是節點對信息的感知，數據處理是基點對傳感器節點傳送的信息進行分析整理，數據管理是監控中心對所有節點的信息管理以及命令的發布。

圖3 Sink 節點設計

圖4 軟件整體設計

圖5 無線傳感器節點結構框圖

為了達到有效監控的目標，設計方案要讓系統數據能夠隨著系統運行，能夠把信息實時、準確地傳送到相關人員手中。因此，每個檢修員、操作員配置節點，也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。Sink節點連接傳感器網絡與Internet 等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，同時發布監測中心的監測任務，最后傳至中心系統，節點設計如圖3 所示。

系統在正常情況下采用輪詢方式對歷史數據進行查詢，但不得修訂，如果檢測到數據異常則不間斷發出異常信號，直至得到處理。底層硬件驅動層程序編寫，定義接口函數，為監控中心的調用提供支持。軟件整體設計如圖4。

傳感器網絡節點是無線傳感器網絡的基本單元，無線傳感器網絡節點主要負責信息感知、預處理、路由響應、指令接收反饋等。節點的穩定運行是整個網絡可靠性的基本保證。其結構框圖如圖5 所示。

主要技術選擇

（1）通信協議是實現通信的基礎，是數據能夠完整可靠傳輸的保證，在軟件設計中，本文采用自主協議設置，在制定方面比較靈活。基本協議格式如下：

在傳感器網絡中，感知節點與基點、基點與監控中心的數據信息都需要無線通信方式完成。采用的 CC1010芯片進行無線收發。

（2）編程環境選擇Keil C51，其是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發系統，與匯編相比，C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。

3 存在的問題

系統的安全問題是該設計最大的難點，采用無線傳輸的方式，攻擊者較為容易攻擊安全漏洞，來讀取節點中的保密信息，或干擾信息的準確度，同時能夠對節點的代碼進行一定程度的修改。其次還存在下列問題：

（1）機電系統由于有大量的電磁設備的存在，因此干擾較大，且現在的不同制式的通信網絡相互也存在影響，使得在通信通道和發射強度上都需要進行改良。

（2）在系統當中應用現代科技較多，使其系統的集成化越來越高，存在成本問題。若采用大量的傳感器來反映系統信息，則受到限制。

（3）能量對于無線傳感來說是首要問題，如何通過無線能量傳輸是急待解決的問題，主要有：無線電波、QI協議、光電池。當然，降低能量消耗也是研究方向之一。

（4）高效的無線傳感器網絡結構。諸多節點構成的基點，大量基點構成傳輸網絡，在龐大的系統面前，成網技術和網絡布置是關鍵，如何最大利用資源是組網的關鍵問題。當然，動態節點分布和移動型管理系統也是研究方向之一。

4 結語

總之，機電一體化隨著信息化的深入，在科技的發展中越來越顯示出其重要地位，無線傳感器網絡應用使之更上一個臺階。這一新興技術為機電系統提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。當然，由于WSN 本身的特點，給人們提出了很多新的挑戰，希望能夠引起機電一體化研究人員對這一新興技術的重視，推動對這一具有技術變革意義的新技術融合的研究、應用和發展。