[日期：2008-7-31]
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無線感測器網路通過一組由無線方式連線的感測器節點感知、採集和處理資訊，具有成本低、靈活性強的特點。無線感測器網路基本設計如圖1所示，節點隨機地散布在觀測區域內，各個普通節點（node）與各自的匯聚節點（sink）通訊，傳送所採集到的資料並接收控制命令。
通常無線感測器網路的工作環境非常惡劣、節點數量龐大、維護困難且大部分區域人力無法靠近，因此在其設計上首要考慮的因素就是能夠盡量節省能耗，延長每個節點的工作壽命。而對電機執行狀態監測系統而言，其無線感測器網路的設計與傳統的無線感測器網路有一定的區別。
首先，在電機執行狀態監測系統中，網路的可靠性與容錯能力比節省能耗更重要。由於電機工作的環境並不是十分惡劣，所以工程人員定期更換節點的電池甚至節點就近取電都是可行的。同時，電機狀態的監測要求較高的時效性和可靠性。在這種情況下，適用於電機執行狀態監測的無線感測器網路的拓撲控制和路由策略設計可以集中在提高網路可靠性和容錯能力上。
其次，在電機工作環境中，無線感測器網路節點所發射的射頻訊號會受到電流、電壓以及電機間諧波的干擾，造成接收到的訊號較弱。在拓撲控制、路由策略以及節點設計時，還需要考慮如何增加訊號強度，減少干擾因素。
再次，與傳統無線感測器網路的工作環境有所不同，電機執行狀態監測系統的網路節點對節省能耗的要求略為寬鬆，甚至可以在電機附近就近取電工作。因此，在網路節點的設計上可以做進一步改進，將電源設計為雙重取電的方式。網路節點在工作環境中可以使用普通的220v交流電工作；若無法取電，則使用電池工作。
2 無線感測器網路實現
2.1 無線感測器網路體系結構
基於對無線感測器網路監測系統特性的分析，設計了基於無線感測器網路的電機執行狀態監測系統，系統結構如圖2所示。該系統由現場採集單元與遠端控制單元兩部分組成。現場採集單元包括精簡功能節點（rfd）、匯聚節點（sink）以及閘道器。其中，rfd只採集資料，不進行路由，不同的rfd之間不能通訊；匯聚節點負責收集rfd傳送的資料，並選擇最適合的路由將資料傳送出去；閘道器將接收到的無線訊號通過有線網路傳送給遠端控制單元。遠端控制由路由器、資料儲存伺服器和遠端控制終端組成。路由器協調不同現場採集單元與遠端控制終端的通訊；資料儲存伺服器不僅收集和儲存不同網路的資料，而且為各個單獨網路的資料提供備份，加強了網路體系的可靠性；遠端控制終端則為工程技術人員提供實時的資料，並對網路發出控制命令。現場採集單元與遠端控制單元採用現有的光纖網路進行連線，保證了網路的可靠性與及時性。
2.2 無線感測器網路拓撲及路由協議
2.2.1 網路拓撲
在電機執行狀態監測系統中，電機散布於監測區域的不同位置，為了保證網路的可擴充套件性，本無線感測器網路採用分簇拓撲。位置相近的電機上的網路節點組成乙個簇，簇內成員通過簇頭（sink）與閘道器通訊。
2.2.2 網路路由協議
對電機執行狀態監測系統而言，容錯能力比節省能耗更重要。因此，本系統採用一種既具有較強的容錯能力，又擁有較少能耗的路由策略——定向洪氾（directed flooding）。
在定向洪氾協議中，節點傳送資料時不是像傳統洪氾協議一樣向四面八方廣播資料報，而是通過特定的有向虛擬隙（directed virtual aperture）。如圖3所示，∠aob為節點o的有向虛擬隙，大小為φ。節點只向有向虛擬隙所指範圍廣播資料報，由圖3可知節點a、b在o的有向虛擬隙範圍之內，而節點c則不在。
設定匯聚節點位於原點，在初始狀態中，每個節點的有向虛擬隙的中線都是指向匯聚節點的，如圖4所示。定義有向虛擬隙中線的初始角度為θi，有向虛擬隙的大小為φ，則有向虛擬隙中線在任意時刻的位置可以表示為：
即有向虛擬隙在任意時刻的範圍為：
在資料報的包頭部分中，包含了資料來源節點的座標位置(xs,ys)、資料報種類、現在接收節點的座標位置(xint,yint)以及現在接收節點的有向虛擬隙θ。資料報傳送過程如圖5所示，φ為有向虛擬隙的大小。
當節點接收到周圍節點**過來的資料報時，該節點會首先檢查自己是否在前一**節點的有向虛擬隙範圍內，檢查標準如(3)式所示。其中xc，yc為該節點的座標，(xint,yint)為前一**節點座標，如圖6所示。
若不能滿足式(3)，則丟棄該資料報；若能滿足，則該節點會用自己的座標和有向虛擬隙替換前一節點的座標和有向虛擬隙，並**資料報。
定向洪氾協議採用了有向虛擬隙的概念，迅速減少了網路中的冗餘資料量，降低網路擁塞的機率，節省網路能耗。同時，定向洪氾保持了傳統洪氾協議的高容錯能力的特性，保證了網路通訊的可靠性。
2.3 無線感測器網路硬體設計
無線感測器網路監測系統的硬體設計如圖7所示，節點採取模組化結構，由微控制模組、通訊模組、電源管理模組、感測器模組和介面模組構成。
微控制模組採用atmel公司的高階微控制器atmega128微處理器。它採用低功耗cmos工藝生產，基於risc結構，具有片內128kb的程式儲存器（flash）、4kb的資料儲存器(sram)和4kb的eeprom，jtag、uart、spi、i2c匯流排等介面。atmega128可在多種不同模式下工作，除了正常工作模式以外，還具有六種不同等級的低能耗工作模式，因此該微處理器適合低能耗的應用場合。
無線通訊模組採用chipcon公司2023年推出的相容2.4ghz ieee802.15.4標準的射頻晶元cc2420，採用cmos工藝生產，具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度高和收發頻率可程式設計等特點，可確保短距離通訊的有效性和可靠性，最大收發速率為250kb/s。cc2420與微處理器的連線非常簡單，通過spi（csn、so、si、sclk）介面與微處理器交換資料、傳送命令。
電源管理模組為了適應電機執行狀態監測環境的要求，採用3.3v電池或220v交流電雙重取電的設計。220v的交流電通過變壓器變頻和降壓為5v的直流電，再通過穩壓晶元ams1117繼續降壓為3.3v的直流電。當所處環境附近有220v交流電源時，節點使用交流電工作；當所處環境不能提供220v交流電時，節點使用3.3v電池工作。
感測器模組包含溫度感測器ds18b20、紅外感測器pd632和加速度感測器adxl202。
介面模組包含spi介面、jtag介面、uart介面等。
3 實驗結果分析
應用基於無線感測器網路的電機執行狀態監測系統對非同步電機定子溫度進行了實時監測，監測結果與實際溫度的對比如圖8所示。
由圖8可知，感測器測量溫度曲線與實際溫度曲線整合緊密，跟蹤快速。測量訊號有微小波動，主要是由於受到非同步電機產生的電磁波的干擾，但感測器測量溫度與實際溫度誤差在0.8℃以內，並在第28分鐘以後趨於穩定，與實際溫度保持一致。系統資料訊號採集快速有效，波形跟蹤迅速，穩定誤差小，結果驗證了定向洪氾路由策略的有效性和無線感測器網路監測系統的可靠性。
本文針對電機執行狀態監測系統的特點，結合無線感測器網路，採用實施簡單、可靠性強的定向洪氾路由策略，提出了一種新型的無線感測器網路監測系統設計方案，同時給出了系統的硬體設計。本文採用該系統對非同步電機的定子溫度進行實時監測，實驗結果表明了定向洪氾路由策略的有效性和使用該系統監測電機執行狀態的可行性。該系統具有實施簡便、成本低廉、可靠性高的特點，適用於礦井安全監測、深海作業、航空航天遠端控制等應用場合。
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