无线传感网络在机电系统中的应用

叶剑锋

新疆交通职业技术学院

本文通过对传感器在机电系统中的重要性和无线传感网络（WSN）的应用分析，指出WSN 作为机电系统未来发展的关键技术之一，在机电系统中将起到重大的作用，也是机电系统实现更高集成度，准确度，可靠度的关键因素。同时对WSN 在机电系统中常用的节点种类，功能，及将来的研究，应用和发展做出介绍和探讨。

传感器在机电系统中起到重要作用，是机电系统（或产品）发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化生产线和产品之中，处于系统之首，其作用相当于感受器官，能快速、有效地获取系统各项信息，是机电系统自动化水平的标志。缺少传感器可靠的检测，那么系统的信息获取、处理、决策等将无法实现。目前，基于WSN 的传感技术发展日新月异，并逐渐应用到机电系统当中，提升机电系统的智能水平。

1 无线传感网络与机电系统

图1 系统总体构成

图2 系统结构及数据传递

无线网络传感器是一种集传感器、控制器、计算能力、通信能力于一身的嵌入式设备，将机电系统的初步数据处理集成，进行环境交互，将收集到的数据通过节点传递至计算设备，网络一般集成一个低功耗的微控制器（MCU）以及若于存储器、无线电/光通信装置、传感器等组件，通过传感器、动臂机构、以及通信装置和它们所处的外界物理环境交互。无线传感器网络的应用领域非常广阔，它能应用于城市智能交通、军事、复杂机械监控、空间探索、精准农业、建筑物状态监控、环境监测和预报、智能家居、大型车间和仓库管理等领域。

机电系统是指由机械与电子紧密结合的多学科集成技术设计出来的产品或制造系统。它是当前老产品更新换代和新产品研制开发的方向。近年来，在世界范围内掀起的利用以微机为代表的微电子技术与机械技术的有机结合，给机械以智能的机电一体化技术革命正在迅猛发展，无线传感网络的发展给机电系统的发展注入新的方向和动力。

2 系统设计

系统功能与结构

对机电系统来说，安全稳定、信息的传输的质量都是很重要的，那么监测系统就必须能够对设备系统运行的安全，以及各项性能指标指标情况进行实时的监测，出现问题能够及时报警，从而在最短时间内采取措施处理。a.对突发事件的报警：环境突发事件主要有火灾、危险（有毒）泄漏、放射源丢失等。设置相应的火焰、有毒气体、放射传感器，监测到隐患状况及时报警，从而先一步采取措施，进而阻止危险的发生。b.对工作情况的监测：位移、温度、压力、流量、电压、电流等，相关设备的状态监测。

本文系统总体结构如图1 所示，详细构成如图2 所示。

数据采集主要是节点对信息的感知，数据处理是基点对传感器节点传送的信息进行分析整理，数据管理是监控中心对所有节点的信息管理以及命令的发布。

图3 Sink 节点设计

图4 软件整体设计

图5 无线传感器节点结构框图

为了达到有效监控的目标，设计方案要让系统数据能够随着系统运行，能够把信息实时、准确地传送到相关人员手中。因此，每个检修员、操作员配置节点，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。Sink节点连接传感器网络与Internet 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布监测中心的监测任务，最后传至中心系统，节点设计如图3 所示。

系统在正常情况下采用轮询方式对历史数据进行查询，但不得修订，如果检测到数据异常则不间断发出异常信号，直至得到处理。底层硬件驱动层程序编写，定义接口函数，为监控中心的调用提供支持。软件整体设计如图4。

传感器网络节点是无线传感器网络的基本单元，无线传感器网络节点主要负责信息感知、预处理、路由响应、指令接收反馈等。节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证。其结构框图如图5 所示。

主要技术选择

（1）通信协议是实现通信的基础，是数据能够完整可靠传输的保证，在软件设计中，本文采用自主协议设置，在制定方面比较灵活。基本协议格式如下：

在传感器网络中，感知节点与基点、基点与监控中心的数据信息都需要无线通信方式完成。采用的 CC1010芯片进行无线收发。

（2）编程环境选择Keil C51，其是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

3 存在的问题

系统的安全问题是该设计最大的难点，采用无线传输的方式，攻击者较为容易攻击安全漏洞，来读取节点中的保密信息，或干扰信息的准确度，同时能够对节点的代码进行一定程度的修改。其次还存在下列问题：

（1）机电系统由于有大量的电磁设备的存在，因此干扰较大，且现在的不同制式的通信网络相互也存在影响，使得在通信通道和发射强度上都需要进行改良。

（2）在系统当中应用现代科技较多，使其系统的集成化越来越高，存在成本问题。若采用大量的传感器来反映系统信息，则受到限制。

（3）能量对于无线传感来说是首要问题，如何通过无线能量传输是急待解决的问题，主要有：无线电波、QI协议、光电池。当然，降低能量消耗也是研究方向之一。

（4）高效的无线传感器网络结构。诸多节点构成的基点，大量基点构成传输网络，在庞大的系统面前，成网技术和网络布置是关键，如何最大利用资源是组网的关键问题。当然，动态节点分布和移动型管理系统也是研究方向之一。

4 结语

总之，机电一体化随着信息化的深入，在科技的发展中越来越显示出其重要地位，无线传感器网络应用使之更上一个台阶。这一新兴技术为机电系统提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。当然，由于WSN 本身的特点，给人们提出了很多新的挑战，希望能够引起机电一体化研究人员对这一新兴技术的重视，推动对这一具有技术变革意义的新技术融合的研究、应用和发展。