基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统设计

　　当节点接收到周围节点转发过来的数据包时，该节点会首先检查自己是否在前一转发节点的有向虚拟隙范围内，检查标准如(3)式所示。其中xc，yc为该节点的坐标，(xint,yint)为前一转发节点坐标，如图6所示。

　　若不能满足式(3)，则丢弃该数据包；若能满足，则该节点会用自己的坐标和有向虚拟隙替换前一节点的坐标和有向虚拟隙，并转发数据包。

　　定向洪泛协议采用了有向虚拟隙的概念，迅速减少了网络中的冗余数据量，降低网络拥塞的几率，节省网络能耗。同时，定向洪泛保持了传统洪泛协议的高容错能力的特性，保证了网络通信的可靠性。

　　2.3 无线传感器网络硬件设计

　　无线传感器网络监测系统的硬件设计如图7所示，节点采取模块化结构，由微控制模块、通信模块、电源管理模块、传感器模块和接口模块构成。

　　微控制模块采用Atmel公司的高端单片机ATmega128微处理器。它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器（Flash）、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。ATmega128可在多种不同模式下工作，除了正常工作模式以外，还具有六种不同等级的低能耗工作模式，因此该微处理器适合低能耗的应用场合。

　　无线通信模块采用Chipcon公司2003年推出的兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频芯片CC2420，采用CMOS工艺生产，具有工作电压低、能耗低、体积小、输出强度高和收发频率可编程等特点，可确保短距离通信的有效性和可靠性，最大收发速率为250kb/s。CC2420与微处理器的连接非常简单，通过SPI（CSn、SO、SI、SCLK）接口与微处理器交换数据、发送命令。

　　电源管理模块为了适应电机运行状态监测环境的要求，采用3.3V电池或220V交流电双重取电的设计。220V的交流电通过变压器变频和降压为5V的直流电，再通过稳压芯片AMS1117继续降压为3.3V的直流电。当所处环境附近有220V交流电源时，节点使用交流电工作；当所处环境不能提供220V交流电时，节点使用3.3V电池工作。
传感器模块包含温度传感器DS18B20、红外传感器PD632和加速度传感器ADXL202。

　　接口模块包含SPI接口、JTAG接口、UART接口等。

3 实验结果分析
 
　　应用基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统对异步电机定子温度进行了实时监测，监测结果与实际温度的对比如图8所示。

由图8可知，传感器测量温度曲线与实际温度曲线整合紧密，跟踪快速。测量信号有微小波动，主要是由于受到异步电机产生的电磁波的干扰，但传感器测量温度与实际温度误差在0.8℃以内，并在第28分钟以后趋于稳定，与实际温度保持一致。系统数据信号采集快速有效，波形跟踪迅速，稳定误差小，结果验证了定向洪泛路由策略的有效性和无线传感器网络监测系统的可靠性。

　　本文针对电机运行状态监测系统的特点，结合无线传感器网络，采用实施简单、可靠性强的定向洪泛路由策略，提出了一种新型的无线传感器网络监测系统设计方案，同时给出了系统的硬件设计。本文采用该系统对异步电机的定子温度进行实时监测，实验结果表明了定向洪泛路由策略的有效性和使用该系统监测电机运行状态的可行性。该系统具有实施简便、成本低廉、可靠性高的特点，适用于矿井安全监测、深海作业、航空航天远程控制等应用场合。