1、基于无线传感器的振动检测 摘 要无线传感网络是随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展而产生的。以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，无线传感器网络就是由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络具有众多类型的传感器，可以探测包括地震、电磁、温度、湿度、光强度、压力、加速度等等一系列的现象。丰富的功能为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。本文所使用的是美国克尔斯博公司生产的无线振动套件，其附带的加速计可以测量最高10G的加速度。已经成功应用于对高压输电线路、船舶动力舱、机械转轴上的滚
2、珠轴承的振动监测。本文所做的工作是在TinyOS下使用nesC语言进行应用程序开发，搭建起一个具有基本功能的基于无线传感器网络的振动监测系统。我们将一个三轴加速计、一块模数转换器板和一个XM2110无线电板连在一起形成一个基本的数据采集节点，使用MIB520板作为网关节点。由此搭建起一个无线传感器网络并实现了基本的振动数据采集功能。同时使用克尔斯博公司的XServe软件对数据进行收集、分析和转发。实验结果验证了基于无线传感器网络的振动监测系统进行现实应用的可行性和它的良好性能。向我们揭示了无线传感器网络美好的发展前景。关键词：无线传感器网络，信息感知，微操作系统，振动监测AbstractWir
3、eless sensor network (WSN)was born with the fast development of MEMS、System on Chip、wireless communication and low-power embedded technology. Its low-power, low cost, the characteristics of distributed and self-organization has brought a revolution in information perception. Wireless sensor network
4、is deployed in the monitoring area by a large number of low-cost micro-sensor nodes, forming a multi-hop ad-hoc networks through wireless communication.Wireless sensor networks have many kinds of sensors that can detect a series of phenomena including seismic, electromagnetic, temperature, humidity,
5、 light intensity, pressure, acceleration and so on. The rich functionality has brought the WSN a bright future. This article uses the vibration tool kit made by Crossbow technology from the U.S.A. its accelerator can measure at most 10G of acceleration,and was successfully deployed in the monitoring
6、 of high-voltage transmission lines, ship engine compartment, and ball bearings on the machinery shaft.What we do was to develop applications with nesC language in TinyOS and built a vibration monitoring system with basic functions based on WSN. We have put a triaxial accelerometer, a ADC board and
7、a XM2110 radio board together to form a basic data collector mote, and used a MIB520 board as gateway. With them we built a WSN and chieved the basic function of the vibration data collection. Then we use Xserve to gother, analysis and transmit data.Experimental results demonstrate the feasibility o
8、f practical applications of the WSN based vibration monitoring system, and show the Bright prospects of wireless sensor networks.Keywords：wireless sensor network, information perception, TinyOS, vibration monitoring1 绪论1.1 选题意义当代社会的工业生产中，设备的机械化，自动化，信息化，智能化程度都日新月异的发展和进步着。设备规模越来越大，结构越来越复杂，功能越来越多，性能越来越
9、高；这极大地提高了生产效率，改变了人们的生活方式。同时这些设备一旦产生故障也将造成重大的经济损失，有时还会带来人员伤亡和严重的环境污染。传统的维护方式是出了故障再修理或者定期检修，但是现代工业体系中的设备往往具备大型化，连续化，高速化，自动化的特性1。一旦产生故障就会使整条生产线停顿，甚至对生产设备造成严重损伤，由此带来的经济损失将是不可承受的。而传统的定期检测需要大量技术娴熟经验丰富的技术员，但是此种方式往往带来检修过剩及生产线的不必要停顿。这将给企业带来额外的损失和经济负担，同时此种方法并不能及时发现机械故障。因此基于传感器的即时监测技术应运而生，这种系统可以随时监测系统运行状态。出现故障
10、前兆立刻报警，大大减少了不必要的检修并提供有效的故障预测信息，使得预测性维护成为可能。然而早期的在线监测系统非常昂贵，需要铺设大量的线路和专业的操作人员。而这些对于中小型企业和对故障检测及时性要求不是那么高的系统来说性能过剩，同时其昂贵的成本将许多用户挡在门外。随着电子信息产业和硬件制造技术的发展基于无线传感器网络的振动监测系统成为了可能。基于无线传感器网络的监测系统不需要铺设大量的线路，因此可以以较低的成本组建起一个监测网络，同时在性能与成本之间达到一个均衡。振动监测对于许多现代工业设备有重要意义，各种设备中的电机及轴承在正常运转时拥有稳定的振动周期。当轴承出现磨损时便会在其振动信号中表现出
11、异常，通过对采集到的振动信号进行时域及频域分析可以建立对应的故障信号数据库。可以在磨损出现时快速鉴别分析是何种故障，为预测性维护提供了可靠的信息。同时无线传感器节点可以在严酷的环境内长时间稳定工作，此项技术已经应用于发电机组，船舶动力舱，生产线上的机械设备以及对建筑的振动监测。同时通过精心设计的电源管理协议，基站端定时唤醒节点进行数据采集。采集完成后立刻睡眠，使得节点上的5号电池可以在高能耗电源模式下维持数月，在低能耗模式下维持1-2年。解决了无线传感器的电力供给问题，不必频繁的更换电池。综上所述，基于无线传感器网络的振动监测系统有着广阔的应用场景，而随着半导体加工技术的飞速进步及处理器速度的
12、提升。无线传感器网络的节点处理能力将会随之提高，无线传感器网络将具有更高的性能和智能化处理能力。1.2 技术背景本文所用的硬件平台是美国Crossbow公司开发的无线振动监测套件，此套件可以应用于建筑物和机床的健康监测，用智能的无线技术代替传统的人工检查，监测数据可以传输到服务器、终端PC或者手持设备PDA，实现传统排查不可及的实时监控。CXL10GP3加速度传感器通过套件中的MDA320数据采集板连接到Crossbow的无线传感器网络平台上，实现了低功耗、多跳的无线传输监测数据。此套系统之前已有过成功的应用案例在英国BP石油公司的一艘运行在北海的万吨运油船Loch Rannoch。此项BP
13、的计划是建立一套预测维护系统用来监视如马达、泵之类具有强烈振动的机器。这些机器被放置于Loch Ronnach 油船的引擎室内。通过振动信息来监测系统的工作状态，当磨损或撕裂现象出现时则通过无线通信发送警告。相似的例子还有发电站的机房及高压输电线路。由于无线传感器的良好性能，节点都可以部署在苛刻的环境中。例如高空高压电网和船舶动力舱室，节点能够长期高效采集有效数据，从而免去人工检查的繁琐工程和维护次数，并且减少有线监控的高额成本。BP公司的项目最终验证了这套系统的现实可行性2。在为期数月的实验期间，振动监测系统在船舶动力室27-38的高温及来自动力机组的强烈振动中忠实的完成了其所被赋予的任务。
14、国家电力建设研究所目前已将克尔斯博公司的无线传感器网络产品用于监测大跨距输电线路的应力、温度和振动等参数。每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上。此项目克服了超高压大电流环境中无线监测装置的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、无线监测装置的长期供电等技术难题；解决了导地线微风振动传感技术、无线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题。验证了基于无线传感器的振动监测网络在实际工业环境中部署的可能性，及其广阔的市场前景。1.3 本文工作本文使用无线振动监测套件中的基本组成部分来完成监测网络的组网，数据采集，数据传送及数据显示。实验中需要用到基本硬件颗粒：IRISCrossbow
15、2007年推出的一款增强版无线传感器网络节点，相对于原有的MicaZ节点，该节点可达到更远的通信距离（300500米，三倍于MicaZ节点），同时仅消耗原有功耗的一半。采用此款Mote可以降低Mesh网络多跳造成的延迟,增强网络的稳定性与可靠性，在相同节点数目的条件下可以覆盖更大的监测范围。MDA320Crossbow推出的MDA320是一款16位的ADC数据采集板，提供8通道16/12位ADC采样，同时提供标准的5v，2.5v基准电压输出。可以非常方便的与加速度计连接。16位的采样精度可以保证数据采集的精确度。CXL10GP3Crossbow公司出产的CXL10GP3加速度传感器是一款测量范
16、围为10g的3轴加速度传感器，前置的100HZ低通滤波器可以有效滤除干扰噪声。内置的信号调理电路可以保证输出信号的可信性。其功耗低至5mA每轴非常适合集成进低功耗无线传感器网络，进行长期建筑健康程度监测3。其中我编写的采集程序将运行在MDA320及网关主板MIB520上，由MIB520发送控制信号管理数据的采集和传输。收集到的数据传送到Crossbow公司的软件平台XServe上，经过数据解析后形成XML格式数据流通过HTTP协议传送至远程计算机的网页上显示。2 系统设计本章内容是关于系统总体框架和设计的，这一章的开头部分我们首先论述了工业生产对基于无线传感器网络的振动监测系统的需求分析。随后
17、说明了我们所使用的硬件节点的型号附带简要的产品介绍。随后按照无线传感器网络由根节点到叶节点的顺序展示了相应的硬件芯片图片及其基本性能。然后简要介绍了我们使用的Crossbow公司的开发平台和应用软件，（对于所使用的平台及TinyOS将在第3章详细的介绍）以及我们整个系统的软件架构，最后是整个系统的流程图和传感器采集数据的流程图。2.1 需求分析现代工业设施的许多地方都需要使用振动监测来评估设备的健康状况，例如各种电机，发动机及转轴上使用的轴承。这些设备稳定转动时发出规律的振动信号，当机械部分出现磨损时，损伤处就会因碰撞产生对应的独特噪音信号。通过对这些信号的监测便可以知道设备是否出现磨损，出现
18、了那种类型的磨损，由此便可以将故障排除在发生之前4。由于无线传感器网络工作的环境往往比较恶劣，机房环境往往温度较高，噪音、振动、及复杂的电磁环境都会影响传感器及无线电的工作。并且需要监测的设备运行时长时间处于振动状态，因此需要将加速计牢固的依附在机械表面。本文所使用的硬件节点是Crossbow公司最新的增强版无线传感器网络节点，相比之前版本的产品拥有更远的通讯距离和更强的抗干扰性。同时所使用的CXL10GP3加速计本身带有两个螺栓孔，可以紧密的固定在机械表面。网络通信方面使用Crossbow公司的XMesh进行振动网络的组建和管理。通过XMesh的网络协议，振动节点和网关之间可以形成星型网络，
19、蜂窝网络或者星形-蜂窝混合网络如图2.1。本文使用的是Mesh星形网络，节点与网关之间通过网络协议进行自组网。并且根据节点之间的连接状况进行重组，同时系统出错时可以进行快速的重启使网络恢复正常。本文中使用CXL10GP3与MDA320连接在一起形成数据采集节点，由一块使用USB连接到计算机的MIB520芯片担任网关节点。网络运行时，由计算机终端通过XServe发送采集命令到网关节点，再由网关节点转发到传感器节点进行数据采集。 图2.1 XMesh的三种网络结构2.2 硬件结构本节我们将简要介绍实验所使用的硬件芯片及他们之间的结构关系，我们将按照自顶向下的顺序由根节点到叶子节点逐一介绍这些芯片，
20、首先是网关节点MIB520芯片。2.2.1 网关节点MIB520MIB520板的外观如图2.2所示，MIB520芯片为IRIS系列节点提供通信和编程的USB接口，通过USB总线为设备供电。同时板上带有一个嵌入式处理器Atmega 16L对节点进行编程。代码将先通过USB下载到Atmega 16L随后处理器将代码烧入节点。使用MIB520对节点编程需要在计算机端使用MoteWorks指定MIB520的两个端口号，两个端口是独立的，分别负责编程和数据传输。本文中我们设置的两个端口号为COM3和COM4。同时MIB520芯片还有一个reset开关可以重置在板子及节点上运行的程序，其同样也会重置在计算
21、机端运行的软件。2.2.2 处理器/无线电板 XM2110芯片XM2110属于IRIS系列芯片如图2.3，是Crossbow公司的最新产品。自身带有一定的计算能力，其使用一个兼容IEEE 802.15.4协议的无线电收发机作为通讯方式。无线电装置上包括一个DSSS（数字直接序列扩频）基带调制解调器，图 2.2 MIB520网关节点提供9dB的扩频增益和250kbps的有效数据速率。天线频率可在IEEE 802.15.4的频道号11（2.405GHz）到26（2.480GHz）之间以5MHz的分辨率调整。图 2.3 XM2110芯片 无线电的射频传输电源可以在3dBm（毫瓦分贝）至17.2dBm
22、之间调整，更低的传输功率可以通过减少电磁干扰降低无线电功率实现。XM2110节点是整个无线传感器网络的主要组成芯片，所有的传感器节点、网关节点都将与这样一个芯片相连。并通过这块芯片进行节点之间的通信、广播命令、上传数据等操作。2.2.3 数据采集板 MDA320CAMDA320CA是一款高性能数据采集板如图2.4，具有多达8通道16位模拟输入。与MDA300数据采集板相比，其结构精简却具有相同的功能。MDA320CA是为低成本要求精确采集和分析数据类应用设计的。MDA320CA具有改进的微型连接方式，和快速便捷的接口连接外部传感器。应用Crossbow的MoteView可实现数据记录和显示功能
23、。图2.4 数据采集板 MDA320也是无线传感器网络使用最多的芯片之一，每个传感器都将通过电缆与MDA320连接，通过其板载的模数转换器将传感器采集的模拟信号转换为数字信号。同时MDA320通过其板上的插口与XM2110连接，转换出来的数字信号经过无线电发送至网关节点。2.2.4 CXL10GP3加速计CXL10GP3加速计是本文所使用的唯一一款传感器如图2.5，采用MEMs（微机电系统）工艺制造而成。内置包括放大和滤波在内的信号调理电路。直接输出05V标准信号。出厂前经过标准测试，提供可信的振动信号输出。图2.5 加速计安装时加速计通过电线与数据采集板相连，数据采集板通过插口和XM2110
24、无线电板相连。电池也安装在无线电板的背面，从而构成一个最基本的数据采集单元。该单元通过无线电与网关节点上的无线电双向传输信息，从而接受命令收集数据并将数据送至计算机上的XServe软件。2.3 软件结构2.3.1 软件结构总揽MoteWorks是Crossbow公司的软件开发平台，提供了nesC程序的一整套开发环境及附属软件包。本文的主要工作都在这个平台上进行。MoteWorks软件包主要内容为：Cygwin：Windows环境下模拟POSIX环境NCC：nesC语言编辑器PN：Progrmmer Note，代码编辑器Uisp：程序下载器XServe：无线传感器网络服务器中间件Moteview
25、：无线传感器网络客户端管理和监控软件PostreSQL：数据库与硬件层次相对应的是相应的软件层次结构，TinyOS下的nesC语言应用程序运行在硬件体系的叶子节点上。专为嵌入式网络系统设计的TinyOS和nesc语言拥有代码量小、耗能少、并发性高、健壮性好的特点，能够很好的适应无线传感器网络节点的硬件环境。（对TinyOS和nesc的进一步介绍将在本节的后面部分展开）同时在计算机端运行着Crossbow公司开发的服务软件XServe，其负责监听网关的串口捕获节点上传的数据并对其进行解析。通过键入相应的命令可以使数据显示，存储或者转发到指定端口。本文中XServe的数据将被转发到实验室一位师兄编
26、写的网站上，并在其网页上即时的显示出来。当然这个网站就是我们软件结构的客户端部分。软件系统整体的结构图如图2.6所示：接下来我们将按照由传感器节点到网关，由节点层到服务器层最终到客户端的顺序来说明软件层次中每一部分的结构和功能。首先从无线传感器网络开始。2.3.2 TinyOS受限于有限硬件资源，无线传感器网络节点操作系统设计应满足如下的要求:图 2.6 系统整体结图1. 小代码量由于节点的内存有限, 因此运行在其上的操作系统核心代码量必须较小, 使其可以在有限的空间中具备高效管理硬件的能力。2. 模块化无线传感器网络设计的趋势是针对特定的应用而不是普遍的应用, 不同的应用所需要的硬件平台是不
27、相同的。随着无线传感器网络的广泛应用, 节点构成的变化是巨大的。在特定的硬件平台上, 根据不同的应用快速便利地结合软件模块实现应用是非常重要的。3. 低功耗WSN 的大多数节点采用电池供电。由于节点数量众多以及节点被散布的环境使频繁更换节点的电池是不可行的, 甚至是不可能的, 因此低功耗的操作将延长整个网络的生命周期, 是操作系统设计必须满足的条件。4. 并发操作性在传感器网络的节点上存在着大量的并发操作, 如数据采样、数据处理、数据转发可能同时进行。操作系统需要具备支持严格并发操作的能力。5. 健壮性WSN 节点数量众多以及运行环境特殊, 要求运行在单个节点上的操作系统不但健壮, 而且应该便
28、利地适应于可靠的分布式应用的发展。TinyOS(TinyMicro Threading Operating System)是一个开源的嵌入式操作系统, 它由加州大学伯克利分校开发,主要应用于无线传感器网络方面。目前在世界范围内,有超过500个研究小组或者公司正在Berkeley / Crossbow的节点上使用TinyOS5。 . TinyOS 的特点和体系结构伯克利大学开发的TinyOS 采用了组件的结构, 它是一个基于事件的系统。其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、健壮性好, 可以适应不同的应用。TinyOS 系统、库及应用程序都是用nesC 语言写的语言写的，这时一种新的用于编
29、写结构化的基于组件的应用程序的语言。nesC 语言主要用于诸如传感器网络等嵌入式系统。nesC具有类似于C 语言的语法，但支持TinyOS 的并发模型，同时具有结构化机制、命名机制，能够与其他软组件连接在一起从而形成一个健壮的网络嵌入式系统。其主要目标是帮助应用程序设计者建立可易于组合成完整、并发式系统的组件，并能够在编译时执行广泛的检查。TinyOS 定义了许多在nesC 中所表达的重要概念。首先，nesC 应用程序要建立在定义良好、具有双向接口的组件之上。其次，nesC 定义了并发模型，该模型是基于任务（tast）及硬件事件句柄（hardware event handler）的，在编译时会
30、检测数据竞争（data race）。. TinyOS的并发模型（Concurrency Model）TinyOS 一次仅执行一个程序。组成程序的组件来自于两个方面，一部分是系统提供的组件，另一部分是为特定应用用户自定义的组件。程序运行时，有两个执行线程：一个称为作业（task），另一个称为硬件事件句柄（hardware event handler）。作业是被延期执行的函数，它们一旦被调度，就会运行直至结束，并且在运行过程中不准相互抢占。硬件事件句柄是用来处理相应硬件中断的，虽然也要运行完毕，但它们可能会抢占任务或其他硬件事件句柄的执行。命令和事件要作为硬件事件句柄的一部分而执行必须使用关键字a
31、sync 来声明。因为任务和硬件事件句柄可能被其他异步代码所抢占，所以nesC 程序易于受到特定竞争条件的影响，导致产生不一致或不正确的数据。避免竞争的办法通常是在任务内排他地访问共享数据，或访问所有数据都使用原子语句。nesC 编译器会在编译时向程序员报告潜在的数据竞争，这里面可能包含事实上并不可能发生的冲突。如果程序员确实可以担保对某个数据的访问不会导致麻烦，可以将该变量使用关键字norace 来声明。但使用这个关键字一定要格外小心。. TinyOS 的调度机制TinyOS 提供作业加事件的两级调度。作业一般用于对时间要求不高的应用中, 它实际上是一种延迟计算机制。作业之间互相平等, 没有
32、优先级之分, 所以作业的调度采用简单的FIFO。作业间互不抢占, 而事件( 大多数情况下是中断) 可抢占。即作业一旦运行, 就必须执行至结束, 当作业主动放弃CPU 使用权时才能运行下一个作业, 所以TinyOS 实际上是一种不可剥夺型内核。内核主要负责管理各个作业, 并决定何时执行哪个作业。作业事件的调度过程如图2.7所示。TinyOS 的作业队列如果为空, 则进入极低功耗的Sleep 模式。当被事件触发后, 在TinyOS 中发出信号的事件关联的所有作业被迅速处理当这个事件和所有作业被处理完成, 未被使用的CPU 被置于睡眠状态而不是积极寻找下一个活跃的事件6。由前所述, TinyOS 调度机制有以下特点:1. 作业单线程运行到结束, 只分配单个作业栈,这对内存受限的系统很有利;2. 没有进程管理的概念, 对作业按简单的FIFO 队列进行调度。对资源采取 图 2.7 TinyOS作业调度过程预先分配, 且目前这个队列里最多只能有7 个待运行的作业;FIFO 的作业调度策略是电源
