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摘要：随着机械设备的精密和复杂程度及自动化程度越来越高，机械设备状态监测和故障诊断技术越来越受到重视。目前冶金企业设备监测系统建设和维护成本比较高。本文提出了一种将无线传感器网络技术用于冶金设备监测的方法，作者根据多年的理论与实践对传感器网络在冶金设备监测中的应用进行了深刻的探讨。
关键词：传感器；网络；冶金设备；监测
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
通过详细分析冶金设备监测场合的应用特征，分别设计了适用于冶金设备监测的拓扑控制协议，MAC协议，以及休眠策略。在实际应用的过程中，无线传感器网络技术显示出了其安装、维护方便，不受供电和布线限制的优点。
一、冶金设备监测的现状
传统的冶金企业设备监测（如温度、湿度、位移等）系统需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络，其设备建设和维护成本很高。对于环境要求苛刻的场合，如旋转部件、油库等，会限制布线、供电，往往难于监测数据。无线传感器网络技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式数据处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，通过无线、自组多跳的方式传送数据。这种网络系统可以被广泛地应用于设备监测、环境监测、交通管理、医疗卫生、物流等领域。本文针对设备监测现场遇到的实际困难，将无线传感器网络技术用于设备监测，在解决传统监测系统安装、维护成本高，供电、布线受限问题的同时，主要研究了如何使传感器节点在电池供电的情况下延长其生存周期。
二、网络特征分析
在冶金企业设备监测中，被监测设备位置相对固定，设备之间会间隔一定的距离，这个距离有时比较近，有时会比较远；有些监测位置的环境比较恶劣，不可能经常更换电池，因此需要考虑节点的节电策略，尽可能延长节点的使用寿命；设备监测的数据量通常比较小，所涉及到的监测量主要包括设备的环境湿度，设备各个部位的温度，这些数据量只有几个字节；由于涉及到的设备监测量通常变化比较缓慢，因此所需的监测频率比较低，通常数分钟收集一次数据就可以满足监测要求。
数据发送采用主动方式，每隔固定的时间，传感器节点自动采集数据并发送。在冶金设备监测量中，有些数据量比较大，并且需要进行实时监测，例如设备的震动量。如果将电池供电的传感器节点用于这些量的监测，由于传感器节点需要时刻处于工作状态，电池能量会很快耗尽，本文所讨论的内容将不涉及该种情况。基于上述特征，安装在设备上的传感器节点需要每隔固定的时间主动采集并向基站发送监测数据。一种实现该任务的最简单方法是直接传送，即网络中每个节点把收集的数据直接传送给基站。然而，對于远离基站的节点，传送数据消耗的能量太高将使节点很快死亡。为解决这个问题，一些以节约能量为目的的拓扑控制协议相继被提出来，其中之一的分簇拓扑协议的核心思想是减少与基站直接通信的节点数量来达到节能的目的，如图1所示。本文借鉴了这种思想，将某个设备和某几个距离比较近的设备人为地组成一个簇，基于能量信息进行簇头的选择；簇内节点以较小的功率采用TDMA机制与簇头节点进行通信，避免相互之间的干扰和冲突；整个网络采用周期休眠机制，延长网络的生存周期。
图1分簇机制的无线传感器网络图
基于能量信息的簇头节点选取实现
3.1簇头节点轮换实现
当clusterhead node的能量Pcluster消耗的能量大于域值Ps后，就要重新选举cluster head node。其中，为节点当选cluster head node时的剩余能量。首先cluster head node在能量低于Ps后第一个开始时刻t0后的时间段T0内发送WakeupMsg消息，通知簇内节点进行新一轮的簇头选举。Cluster head node就以t1时刻为起始时间，在Telect时隙内随机退避时间Trandom发送LifeMsg。其它sensornode也在收到WakeupMsg后，以第一个t1为起始时刻在Telect时隙内随机退避时间Trandom发送LifeMsg。从而网络开始了新一轮的cluster head node选举。
3.2现场应用
在企业现场，已经应用无线传感器网络进行设备的监测。现场有十个机组，每个机组安放八个传感器节点，分别在电机的连杆处和压下处，组成一个小型的无线传感器网络，对设备进行温度的监测。根据现场节点的安放位置，每个机组可以固定的形成一个簇，簇头节点经过中继节点与汇聚节点通信，其中中继节点可以有固定电源供电。传感器节点是在crossbow公司开发的Mica2节点平台上进行改进的，嵌入了操作系统TinyOS，并且开发了相应的驱动程序。
四、测试与性能分析
我们通过仿真来模拟现场无线传感器网络的生存周期。现场节点供电源是三节AA五号碱性电池（南孚电池），传感器网络进行一轮数据收发的周期是1min，簇内节点工作时间是1s，休眠时间是59s，簇头的工作时间是10s，休眠时间是50s。每个节点的初始能量都为8.1千焦，节点工作时消耗的功率3毫瓦，休眠时消耗的功率是0.3毫瓦。根据现场环境进行测试。横坐标是簇头节点进行簇头轮换所设定的能量域值，纵坐标是网络的生存时间。根据能量域值的不同，可以比较出在LEACH协议和改进协议下，网络生存时间的不同。在能量域值设定为1.6千焦以上，在LEACH协议和改进协议下的网络生存时间一样。在1.6千焦以下，在改进协议下的网络生存时间明显优于在LEACH协议下的网络生存时间，这样更能适应现场环境的要求。
总之，企业现场采用的无线传感器网络的协议是在LEACH协议基础上进行了改进，采用LEACH协议的分簇思想，并且实现了LEACH协议的改进协议，应用在了冶金企业的现场监测，使网络的生存时间可以达到7~9个月。下一步的工作将是进一步改进协议，减小整个网络的能耗，进一步延长网络的生存周期，适应冶金企业的特殊环境，满足企业对网络生存时间的要求。本文作者创新点：企业现场采用的无线传感器网络的协议是在LEACH协议基础上进行了改进，采用LEACH协议的分簇思想，并且实现了LEACH协议的改进协议，应用在了冶金企业的现场监测，使网络的生存时间可以达到7~9个月。下一步的工作将是进一步改进协议，减小整个网络的能耗，进一步延长网络的生存周期，适应冶金企业的特殊环境，满足企业对网络生存时间的要求。
参考文献：
[1]姚敬青.衡器的分度值与传感器分度数的关系[J].有色冶金设计与研究，2011，(Z1).
[2]曹奇，龙稳，李亚娥，李涛.伺服驱动器与传感器在缝制设备中的应用[J].机电产品开发与创新，2011，(2).
[3]刘锋，徐金梧，阳建宏，黎敏.大型设备监测用新型无线传感器网络[J].北京理工大学学报，2010，(10).
关键词：传感器；网络；冶金设备；监测
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
通过详细分析冶金设备监测场合的应用特征，分别设计了适用于冶金设备监测的拓扑控制协议，MAC协议，以及休眠策略。在实际应用的过程中，无线传感器网络技术显示出了其安装、维护方便，不受供电和布线限制的优点。
一、冶金设备监测的现状
传统的冶金企业设备监测（如温度、湿度、位移等）系统需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络，其设备建设和维护成本很高。对于环境要求苛刻的场合，如旋转部件、油库等，会限制布线、供电，往往难于监测数据。无线传感器网络技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式数据处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，通过无线、自组多跳的方式传送数据。这种网络系统可以被广泛地应用于设备监测、环境监测、交通管理、医疗卫生、物流等领域。本文针对设备监测现场遇到的实际困难，将无线传感器网络技术用于设备监测，在解决传统监测系统安装、维护成本高，供电、布线受限问题的同时，主要研究了如何使传感器节点在电池供电的情况下延长其生存周期。
二、网络特征分析
在冶金企业设备监测中，被监测设备位置相对固定，设备之间会间隔一定的距离，这个距离有时比较近，有时会比较远；有些监测位置的环境比较恶劣，不可能经常更换电池，因此需要考虑节点的节电策略，尽可能延长节点的使用寿命；设备监测的数据量通常比较小，所涉及到的监测量主要包括设备的环境湿度，设备各个部位的温度，这些数据量只有几个字节；由于涉及到的设备监测量通常变化比较缓慢，因此所需的监测频率比较低，通常数分钟收集一次数据就可以满足监测要求。
数据发送采用主动方式，每隔固定的时间，传感器节点自动采集数据并发送。在冶金设备监测量中，有些数据量比较大，并且需要进行实时监测，例如设备的震动量。如果将电池供电的传感器节点用于这些量的监测，由于传感器节点需要时刻处于工作状态，电池能量会很快耗尽，本文所讨论的内容将不涉及该种情况。基于上述特征，安装在设备上的传感器节点需要每隔固定的时间主动采集并向基站发送监测数据。一种实现该任务的最简单方法是直接传送，即网络中每个节点把收集的数据直接传送给基站。然而，對于远离基站的节点，传送数据消耗的能量太高将使节点很快死亡。为解决这个问题，一些以节约能量为目的的拓扑控制协议相继被提出来，其中之一的分簇拓扑协议的核心思想是减少与基站直接通信的节点数量来达到节能的目的，如图1所示。本文借鉴了这种思想，将某个设备和某几个距离比较近的设备人为地组成一个簇，基于能量信息进行簇头的选择；簇内节点以较小的功率采用TDMA机制与簇头节点进行通信，避免相互之间的干扰和冲突；整个网络采用周期休眠机制，延长网络的生存周期。
图1分簇机制的无线传感器网络图
基于能量信息的簇头节点选取实现
3.1簇头节点轮换实现
当clusterhead node的能量Pcluster消耗的能量大于域值Ps后，就要重新选举cluster head node。其中，为节点当选cluster head node时的剩余能量。首先cluster head node在能量低于Ps后第一个开始时刻t0后的时间段T0内发送WakeupMsg消息，通知簇内节点进行新一轮的簇头选举。Cluster head node就以t1时刻为起始时间，在Telect时隙内随机退避时间Trandom发送LifeMsg。其它sensornode也在收到WakeupMsg后，以第一个t1为起始时刻在Telect时隙内随机退避时间Trandom发送LifeMsg。从而网络开始了新一轮的cluster head node选举。
3.2现场应用
在企业现场，已经应用无线传感器网络进行设备的监测。现场有十个机组，每个机组安放八个传感器节点，分别在电机的连杆处和压下处，组成一个小型的无线传感器网络，对设备进行温度的监测。根据现场节点的安放位置，每个机组可以固定的形成一个簇，簇头节点经过中继节点与汇聚节点通信，其中中继节点可以有固定电源供电。传感器节点是在crossbow公司开发的Mica2节点平台上进行改进的，嵌入了操作系统TinyOS，并且开发了相应的驱动程序。
四、测试与性能分析
我们通过仿真来模拟现场无线传感器网络的生存周期。现场节点供电源是三节AA五号碱性电池（南孚电池），传感器网络进行一轮数据收发的周期是1min，簇内节点工作时间是1s，休眠时间是59s，簇头的工作时间是10s，休眠时间是50s。每个节点的初始能量都为8.1千焦，节点工作时消耗的功率3毫瓦，休眠时消耗的功率是0.3毫瓦。根据现场环境进行测试。横坐标是簇头节点进行簇头轮换所设定的能量域值，纵坐标是网络的生存时间。根据能量域值的不同，可以比较出在LEACH协议和改进协议下，网络生存时间的不同。在能量域值设定为1.6千焦以上，在LEACH协议和改进协议下的网络生存时间一样。在1.6千焦以下，在改进协议下的网络生存时间明显优于在LEACH协议下的网络生存时间，这样更能适应现场环境的要求。
总之，企业现场采用的无线传感器网络的协议是在LEACH协议基础上进行了改进，采用LEACH协议的分簇思想，并且实现了LEACH协议的改进协议，应用在了冶金企业的现场监测，使网络的生存时间可以达到7~9个月。下一步的工作将是进一步改进协议，减小整个网络的能耗，进一步延长网络的生存周期，适应冶金企业的特殊环境，满足企业对网络生存时间的要求。本文作者创新点：企业现场采用的无线传感器网络的协议是在LEACH协议基础上进行了改进，采用LEACH协议的分簇思想，并且实现了LEACH协议的改进协议，应用在了冶金企业的现场监测，使网络的生存时间可以达到7~9个月。下一步的工作将是进一步改进协议，减小整个网络的能耗，进一步延长网络的生存周期，适应冶金企业的特殊环境，满足企业对网络生存时间的要求。
参考文献：
[1]姚敬青.衡器的分度值与传感器分度数的关系[J].有色冶金设计与研究，2011，(Z1).
[2]曹奇，龙稳，李亚娥，李涛.伺服驱动器与传感器在缝制设备中的应用[J].机电产品开发与创新，2011，(2).
[3]刘锋，徐金梧，阳建宏，黎敏.大型设备监测用新型无线传感器网络[J].北京理工大学学报，2010，(10).