论基于无线传感器网络的机械参量测试

廖立平

(同济大学机械工程学院，上海200092)

论基于无线传感器网络的机械参量测试

廖立平

(同济大学机械工程学院，上海200092)

本文介绍了将无线传感器网络引入机械参量测试，该实验采用无线传感器网络组建机械参量测量系统，从而避免了机械量测量中布线长、布线工作量大，信号传输易受干扰的问题，使学生受到多技术，交叉学科的综合训练。

无线传感器网络;传感器;实验;测量

无线传感器网络在当前备受国际关注，它涉及的学科多、高度交叉，知识面广、高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络综合了无线通信技术、传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、数字信号处理技术、电源技术。它由部署在检测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，该网络能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，将获得的信息传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络在军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域得到了广泛应用。

然而，将无线传感器网络应用于机械参量的测试还处于起步阶段，大多数机械参量测量技术的教学仍停留在使用有线来传递测试信号上;这与目前的科学脱节，无疑使学生错过了接触综合性强，多学科交叉训练的机会。为弥补这一不足，我们将无线传感器网络引入机械参量测试的本科实验教学中，使学生能及早接触无线传感器网络，从而激发他们的实验兴趣，开拓他们的知识面，培养他们对科学实验的探究精神。

一 测试方案

无线传感器具有体型小，安装方便，可长期安放在结构上完成长期或周期性测试，克服了传统测试中传感器安装困难，布线工作量大，信号传输易受干扰的缺陷。无线传感器节点可以组成庞大的无线传感器网络，支持上千个测点同时进行测量。无线传感器网络是基于ZigBee短程无线网络技术标准，该标准主要用于短距离无线信号传输，具有低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点。电子信息技术专业的学生在做无线传感器网络实验时更注重该网络的电子电路设计及软件编程，目前这种实验模板很多，如:Microchip公司推出支持用于无线网络控制和监视的ZigBee标准协议的2．4GHz演示板和开发平台PICDEM Z，飞思卡尔的SMAC等等 ，但这些实验平台不能满足机械专业学生利用无线传感器网络解决工程问题的需要。经过比较，同时考虑到实验室现有设备的状态，最终选择了北京必创科技有限公司的产品来搭建无线传感器网络综合实验平台。实验方案见图一。

该实验以车间的行车、机床为被测对象，选择合适的传感器测量大车的应变，小车的起吊荷重，机床的油压，零件加工过程中的切削热，车床车身的振动，车床主轴的扭矩及转速，这些机械量经无线传感器节点采集、放大、传输，由无线网关接收后，送入计算机进行记录、显示、分析、最后得到相关的测试数据。

该实验系统具有如下特点:

安装、使用方便、免除了布线的繁琐;数字信号无线传输，避免了电缆带来的测试噪声，测试精度高，抗干扰能力强;专业的数据采集设计及数字信号处理技术，确保采集数据的精度;无线传感器节点超低功耗，体积小，防水设计使它可以应用在室外。

二 测试实施

1．传感器选择

无线传感器网络系统是由以下四个部分组成的:

* 无线传感器节点(加速度节点、应变节点、扭矩节点、温湿度节点等)

* 无线网关(USB、USB+GPS)

*BeeNet网络协议

* BeeData计算机采集处理软件

图1 实验框图

基于无线传感器网络的机械参量测试的节点技术参数见表1:

表1 无线传感器节点技术参数

由表可以看出:SG802、SG402、TQ201节点的每个通道内置有独立的高精120Ω－1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4桥、半桥、全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器，比如应变，载荷，扭矩，位移等采用应变片做敏感元件的传感器，采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的数据存储器。因此我们选择了上海应变计厂的120Ω的电阻应变计来进行应变测量及扭矩、转速测量，选择拉力传感器BLR－1型1T测量吊重，选择BPR－2型7Mpa压力传感器测油压;TC402可以外接各种热电阻及热点偶，所以我们将热电偶预埋在被加工的零件中测量切削热;A302是自带振动传感器，所以只要选择合适的位置安装即可。

2．软件设置

进行完传感器选型并安装到位后，即可进行通讯设置。

由于是几组学生同时在大厅进行实验，为避免实验数据在传输过程中混淆，要求做好通讯设置，无线传感器节点与无线网关要进行应答，这可以通过BeeData软件的操作界面来完成。同时要完成的设置有:

* 通讯端口设置:对使用的计算机USB口进行定义。

* 采集控制设置:根据测点采用的接桥方式对每个测试通道进行桥路设置。

* 采集通道配置:根据测点设置单位、灵敏度、滤波、修正值。

* 实验记录信息:设置实验数据的文件格式及实验坐标。

3．系统标定

行车上的无线传感器节点采用吊装标准重块来完成;压力传感器的标准压力由活塞式压力计YU600给出;温度计的标准温度用恒温箱给出;用振动台产生三自由度振动来标定加速度传感器。

4．数据测量、记录与分析

数据的测量与记录见图2。

图2 测量菜单

菜单说明:

* 所有信道显示清零:对组内所有已开通节点的通道的测量值进行清零，以清零前的数值为新的零值进行测量;

* 同步采集:对网关内所有节点进行同步采集。网关内节点会在同一时间开始采集，并会根据必创同步算法进行工作;

* 同步记录:对网关内的同步采集节点进行同步数据记录。网关内节点数据会在存储时标记时间(以同步开始为零时刻)，并将设定存贮时间段内的数据，按设定的存储格式存入计算机，储存在相关目录下，见图三。

* 开始采样:对所选组或节点开始采样。当选定为单个节点时，为当前节点开始采样;选定网关时，为组内节点开始采样;

* 停止采样:对所选组或节点停止采样。当选定为单个节点时，为当前节点停止采样;选定网关时，为组内节点停止采样;

* 采样记录:对所选组或节点开始采样，并将设定存贮时间段内的数据，按设定的存储格式存入计算机内，存储在相关目录下，见图3。

图3 同步记录或采样记录

数据的分析:

可以采用第三方软件来做，也可以采用DataExplr软件来进行数据回放，读取均值，均方值，最大值等统计数值，也可做频谱分析，从而获取有用信息，见图4。

图4 数据浏览

三 结语

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。该无线传感器网络完全满足机械参量测试要求，学生通过学习，完成实验用传感器选型，设计实验过程，进行无线传感器节点的安装，进行通讯设置，制定标定方法，分析测试数据，得出实验结论，完成实验报告。他们在实验中积极主动，团结合作;该实验自主参与性极强，实验效果极佳;学生们体验到了高科技就在自己。无线传感器网络在机械综合实验中的应用，为培养机械行业中的创新型、复合型人才起到了重要作用。

［1］徐勇军，安竹林，蒋文丰，等．无线传感器网络实验教程［M］．北京:北京理工大学出版社，2007．

［2］杜晓明．无线传感器网络研究现状与应用［J］．北京工商大学学报(自然科学版)，2008(1)．

［3］尹 航，张奇松，程志林．基于ZigBee无线网络的温湿度监测系统［J］．机电工程，2008(11)．

TN98

A

1674－5884(2012)05－0178－03

2012－03－18

廖立平(1963－)，女，湖南湘乡人，副教授，高级工程师，主要从事机械电子研究。

(责任编校 王小飞)