基于无线传感网的纺织机械状态监测系统

吴云锋，张怀亮

（1．中南大学，湖南长沙410083;2．长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

基于无线传感网的纺织机械状态监测系统

吴云锋1，2，张怀亮1

（1．中南大学，湖南长沙410083;2．长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

提出了一种基于无线传感器网的纺织机械设备监测系统，该系统通过在部署纺织机械上的无线传感器采集数据并传输到基站节点，由基站节点统一对采集数据集中进行分析、处理与展示。详细介绍了系统的体系结构、介质访问控制协议以及系统实现的硬件配置。

纺织机械;监测系统;无线传感网;介质访问控制

为降低设备维护成本，提高产品质量、信息化管理水平与生产效率，对纺织厂机械进行在线监测已成为纺织工业研究的热点。［1－3］基于计算机的控制及实时状态监测能大幅度降低设备的故障率、减少设备检测与维修时间、增加正常运转时间、提高生产效率。据统计，利用计算机进行实时监测纺织机械的运行状态，设备维修成本减少55%，故障减少80%。

针对纺织企业中面临纺织机械监测部署困难的问题，文章提出一种基于无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）的纺织机械设备监测方法，实现的监测系统具有部署方便、成本低、监测效果好等特点。

1 监测系统结构

如图1所示，系统由若干个传感器节点与一个基站构成。传感器节点的任务只是负责实时地采集纺织机械的数据信息，信息可以通过无线信道传输给基站。基站完成了类似服务器的功能，对收集来的数据进行简要分析、将监测结果报告给监测中心系统作为决策依据，完成一定的信息存储等。传感器节点与基站的通信要遵从一定的介质访问控制（Media Access Control，MAC）通信协议。传感器节点一般使用电池供电，基站是可以外接电源的。一般无线传感网要求工作时间较长，而传感器节点的电池往往不更换，因此，无线传感网的设计对能耗的要求比较高，在纺织机械监测系统设计过程中需要考虑到尽量降低网络的能耗。

图1 基于无线传感网的纺织机械监测系统结构

从网络的整体结构来看，采用了较简单的单跳步网络拓扑结构，各个传感器节点都是直接与基站进行通信。这种网络拓扑结构较简单，相对于多跳步网络的拓扑结构而言，不需要设计复杂的路由算法，各种数据报文格式也比较简单，能耗较低，更加满足网络延迟的要求，节点处配置与处理的复杂性大大降低。在无线传感网络中，数据传输需要的能耗往往占据了全部能耗的绝大部分，单跳步网络每个节点直接将数据传输至基站，而在多跳步的网络中，数据从节点到基站中间还要经过许多节点不断寻找下一跳的过程，能耗非常大。另外，在纺织机械监测的过程中，期望某一个节点工作异常不会影响到其他节点的正常工作，只需要处理好异常点至其恢复正常工作即可，单跳步网络拓扑结构可以满足此应用需求。

2 介质访问控制协议

由于在无线传感网中，存在着节点能量非常有限且难以补充等问题，为了保证应用的无线传感网络能够长期稳定地工作，介质访问控制协议的设计以节省能耗、最大化网络寿命为首要的目标，因此，介质访问控制协议的设计中将引入休眠模式，这是无线传感网络介质访问控制协议设计中一种常用的降低能耗的机制。另外，考虑到网络对于有新的节点加入或者有节点退出的情况的处理，用于机械监测的无线传感网可能会出现节点分布及网络拓扑结构发生变化，介质访问控制协议应当具备良好的可扩展性。［4］

2．1 协议时序结构

时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）协议本身能够提供一种自然的数据碰撞的避免机制，而且能量消耗较低，但是，在许多情况下对于存储有限的传感器网络却并不适用。无论是传统的时分多址协议本身还是协议的调度机制都不容易实现。如果在整个分布式的传感器网络中每一个节点处都维护一个时分多址调度表将会耗费大量的存储，而这些存储在这个系统中是非常宝贵的。而采用分布式的时分多址调度表维护的实现方式可能会妨碍系统中其他的需要占用存储的操作，例如网内的数据处理，因此此操作与各个传感节点共享着相同的极有限的片上存储。

为了克服上述问题，为每一个车间设置一个基站来维护时分多址时间槽分配表，此方案可以克服上述分布式管理时分多址分配表带来的主要问题。每个车间内是一个单跳步无线传感网络，所有的传感器节点都与基站中心节点直接进行通信，这样，由基站为所有其他节点维护时间槽，中心节点与其他节点之间进行通信就变得容易得多了。通过这种方式，其他分布式的节点不需要维护任何表格或者做任何时间槽调度方案，在这些节点处，无论是存储空间的占用还是计算复杂性都降低了。

在介质访问控制协议中，基站按序从各个节点收集信息，具体的顺序可以由用户通过系统用户界面进行配置，基站获得用户配置信息后为各个节点分配时隙。设一个车间内的传感器节点个数为N，则时间帧的分配方式如图2所示。

图2 介质访问控制协议的时间帧

图2中每个时间槽称作一个节点周期，分为唤醒控制阶段和数据传输阶段。事实上，每个传感器的节点工作模式包括三种：传输模式、接收模式和睡眠模式。传输模式中，节点通过射频通道向基站发送数据，在该模式中节点耗能最多;接收模式中，节点通过射频通道接收来自基站的信息，耗能较少;当节点既不传输数据也不接收数据时，就进入睡眠模式。基站的工作采用了一种连续的操作模式，连续地有次序地从各个节点收集数据。每一时刻只有一个节点在向基站传输数据，其他节点则处于睡眠状态。在每个节点的唤醒控制阶段，基站向节点发送唤醒包，节点处于接收状态，该段的时长要保证唤醒包可以从基站传输到该节点。数据传输阶段，节点向基站传送传感器监测到的机械的数据，此段的时长要保证节点可以在这段时间内完成数据传输。图2中每个时间槽的具体时序结构如图3所示。

图3 介质访问控制协议的时间槽

在给定了每一个节点的扫描速率、每个节点传输数据个数、传输频率以及各个节点传输数据的次序的前提下，节点处于睡眠模式时长的计算应用以下方程实现：

其中，St表示所有节点的扫描速率按传输次序排列而成的矩阵，U为单位矩阵，Tp为每个节点的时长矩阵，是各个节点分别传输数据的个数构成的矩阵，Sd表示最终计算出的网络中各个节点处于睡眠模式的时长。

2．2 数据包格式

在纺织厂机械设备监测系统中，各个节点的传感器都要对机械的运行情况进行感知，并将监测到的数据信息反馈至基站，由基站传输至监测中心进行分析与处理。

考虑到不同纺织厂的设备种类繁多、差异较大，各个节点反馈的信息可能包括温度、湿度、压力等多个物理参数，设计时在介质访问控制协议数据包的格式中使用16比特表示传感器监测到的设备的信息。用户可以根据监测的机械的具体情况来配置数据段，基本能够满足大多数纺织厂机械监测的需求。如果在实际应用中设备较简单，需要监测的数据类型较少，可以只使用其中若干比特，其余比特留作扩展。考虑到同一个纺织厂中，不同类型的设备需要监测的数据不同，另外取1字节作为机器类型的标识。文章涉及的无线传感网络是单跳网络，能耗较低，所以，可以适当多考虑系统的可扩展性，增加其适用性。［5］

基于上述分析，文章对纺织厂机械设备监测系统的介质访问控制协议作如下设计，数据包格式如表1所示，唤醒包格式如表2所示。

表1 数据包格式

表2 唤醒包格式

2．3 调度机制

介质访问控制协议的调度主要由基站进行维持。首先，基站收集各个节点的信息，建立节点信息表，根据这些信息得到一个全局的时分多址调度表，包括应当分配给各个节点的时隙数目以及各个节点发送数据的优先顺序。该调度表由基站来维护，基站可以获悉在任意时刻网络中哪个节点正在与通道相连，任何节点也都可以依据其调度系统立即与通道相连。在协议的调度机制中，引入一种虚拟信号发送机制RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send）。当基站希望某一个节点向其传输数据时，会在确认没有其他节点与基站相连之后产生一个虚拟的RTS信号代表这个节点。节点同时会立即进入唤醒状态，在传输数据之前准备好接受来自基站的唤醒包。随后，基站向该节点发送一个唤醒包，该唤醒包附有此节点的地址，在接收到唤醒信号之后节点开始传输预先准备好的数据。基站在成功接收到数据之后，用“要求睡眠”的信号通知节点，节点即进入睡眠状态，等待下一次被基站唤醒。

在无线传感网络中，若产生了数据碰撞，将会造成明显的能量浪费，由于信息需要重新传输。同时，信息重新传送有时也会导致调度中出现循环，可能进一步影响未来的数据传输。在虚拟RTS机制中，基站会生成虚拟的RTS信号。在正常的网络操作中任意两个节点不可能同时竞争通道，即使某一个节点被调度为使用通道而基站正在和其他节点进行通信，在基站结束与当前节点的通信之前，被调度节点的虚拟RTS是不会生成的，这将碰撞的几率降低到了0。虚拟RTS机制同时也将网络内节点的竞争的控制开销降低到了0，这些控制开销主要来自于一些较短的数据包，其能量消耗非常大。同时，节点处连接通道需要的处理几乎降为0，节点只是依据计时器睡眠或者醒来。协议的算法流程如下：

1）系统初始化。

2）基站收集节点信息。

3）基站生成时分多址调度表并广播给各个节点。

4）节点按调度表进入接收状态，若接收到唤醒包，则转入5），否则转入6）。

5）对应节点不休眠，采集机械数据并完成数据传输至基站的操作。

6）无数据传输，节点进入休眠状态直至本周期结束;转入4）。

注意到，系统启动时所有节点都进入接收状态，因为经研究发现，接收状态消耗的能量要比传输状态小得多。通常情况下，在传输模式启动无线电消耗的能量要比在接收模式超出69．78%。图4是每个节点工作的状态机。

图4 无线传感器节点的有限状态机

在接收模式中，节点会接收来自基站的命令;在建立状态，节点会建立各种参数，例如活跃通道、扫描速率、数据个数、序列号、节点类型等，基站随后会收集这些信息，作为建立时分多址调度表的依据;在睡眠模式，节点会关闭无线通信，但是仍将持续地感应机械的信息，一旦机械发生了紧急状况或者达到了睡眠时长，节点会跳出睡眠状态;在传输状态，节点向基站传输数据或者传输基站所需要的其他节点信息。

2．4 紧急事件处理与报警

纺织机械监测系统可能会因为各种原因出现一些紧急情况，主要指传感器节点监测到了机械的异常数据，说明机械的运行状况不正常。为了可以处理这种紧急情况，即使节点正处于睡眠状态，也必须持续地感应机械的运行状况，测量相应的物理参数。节点需要不断地将测量到的数据与一个阀值进行比较，一旦发现测量到的数据超过了阀值，节点就立刻宣告遇到紧急情况，然后占用信道，不断地将出现紧急状况的该节点的地址传输给基站直到收到基站的回应。

在协议的运行机制中，基站一直处于繁忙状态，在不断地和各个节点进行通信。因此，如果某个传感节点出现了异常状况，该节点紧急占用信道向基站传输自己的地址时，会与正在进行的基站与其他节点的通信造成数据碰撞，从而导致持续的求校验和的错误。但是，根据前文所述，设计的介质访问控制协议保证了在任何情况下信道上都不会出现数据碰撞的状况，因此，出现这种情况时，基站会以紧急事件指示的名义打断这些连续的碰撞，悬挂起当前正在进行的通信操作，并接收处于紧急状态的传感器节点的地址。在紧急事件处理完毕之后，基站会重新定位到之前悬挂起的操作，继续与那时正常占用通道的节点的通信操作。

2．5 可扩展性

对于纺织机械监测系统，一个不可避免的问题就是处理已有节点的退出和新节点的加入问题。如果某一个节点无法在其被调度的时间内进行数据传输，就认为该节点退出了，由基站向用户报告该退出节点的信息（节点类型、地址等）。然后，该节点将被从节点序列中移除，调度会对帧重新进行分派。根据新的时分多址槽序列，剩余节点的睡眠模式时长同时也必须重新计算。每个节点的新的睡眠时长会添加到虚拟CTS信号中，根据当前的时间槽节点序列发送给各个节点。

在该无线传感网络中，新节点的加入的情况并不经常发生。要完成有新节点加入的调度，基站会在时分多址帧每重复10次之后，检查网络中节点的可用性，一旦检测到了有新的可用的节点加入，就读入其节点类型、时分多址槽序列号以及其他节点参数，重新计算各节点睡眠时长，加入到各个节点对应的信息表中，流程重复前文所述的过程。介质访问控制协议的总体工作流程如图5所示。

图5 介质访问控制协议的总体工作流程

3 系统实现

搭建上述纺织机械监测系统，我们使用了MicroStrain提供的商用的X－link无线监测系统。该系统中一共有三种传感器节点可用：G－link、SG－link、V－link。其中，G－link支持加速计传感器，可以实现10G的全程测量;SG－link支持应力传感器的测量;V－link支持任何可以感应电压变化的传感器。在企业的实际生产中，可以根据应用需求引入新的传感器节点和其相应支持类型的传感器。每个传感器节点内部均有一个完整的无线监测系统，其核心是一个Microchip PIC 16f877A微控制器，该微控制器包括一个35条单字指令的RISC CPU、8Kb的闪存、624字节的数据存储。每个节点另外有2MB的ATMEL连续闪存作为外部数据存储。节点还包括了一个低功耗的RF单片电路无线收发模块TR1000，该模块使用916MHz载频的OOK（on－off keyed）调制，可以提供高达19．2Kbps的传输速率。TR1000在处于数据接收模式时，输入电流为3．1mA;在数据传输模式时，工作电流为12mA;处于睡眠模式时，电流仅为0．7。传感器节点都是多通道的，单个无线传感节点最多可以支持8个传感器的正常工作。每个节点的地址长度为16bit，因此，基站可以同时与216个节点进行连接。所有的节点都支持9V的外部充电电池。基站与终端之间的RS－232通信的波特率为38400b/s。

4 结论

针对纺织企业中面临纺织机械监测部署困难的问题，设计并实现了一种基于无线传感网的纺织机械监测系统，该系统具有部署方便、成本低、监测效果好等特点，具有传统有线方式无法比拟的优势，具有巨大的应用前景。

［1］丁志荣．纺纱工艺在线设计与监测系统的技术探讨［J］．纺织学报，2004，25（3）：26－29．

［2］刘峰．基于PROFIBUS现场总线的双模头丙纶纺粘无纺布生产线控制系统［J］．纺织电气，2006，28（4）：41－44．

［3］高勇．大力振兴纺织装备制造业努力促进纺织产业升级［J］．纺织机械，2006，30（2）：2－7．

［4］丁志荣．纺纱工艺在线设计与监测系统的技术探讨［J］．纺织学报，2004，25（3）：26－29．

［5］刘峰．基于PROFIBUS现场总线的双模头丙纶纺粘无纺布生产线控制系统［J］．纺织电气，2006，28（4）：41－44．

［编校：邓桂萍］

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

吴云锋（1979－），男，浙江海宁人，讲师，在读硕士研究生，研究方向为机械设计。张怀亮（1964－），男，湖南永州人，教授，研究方向为故障诊断与摩擦学研究。