基于无线传感器网络的织机监测管理系统.pdf

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1、第3 0 卷第8 期 2 0 0 9 年8 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x f i hR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 8 A u g 2 0 0 9 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 0 8 - 0 1 3 4 - 0 4 基于无线传感器网络的织机监测管理系统 堵俊1 ，吴晓1 ，章国安2 ( 1 南通大学电气工程学院，江苏南通2 2 6 0 1 9 ；2 南通大学电子信息学院，江苏南通2 2 6 0 1 9 ) 摘要为实时监测织机的运行状态，提高纺织行业生产管理的自动化程度，基于无线传感器网络技术，设计了一

2、套可对织造车间每台织机运行状态进行检测和管理的织机监测管理系统。系统以生产车间为单位，采用多汇聚节 点的树型路由协议进行组网。利用单片机定时器与n R F 9 0 5 工作模式的配合，实现了节点间的双向数据传输。该 系统具有低成本、高可靠性和双向数据传输的特点，实现了生产车间数据的实时采集和织机工艺参数的设定，提高 了企业管理的自动化水平。通过实际使用，证明该系统具有较好的性价比和广阔的工程应用前景。 关键词无线传感器；网络技术；织机；管理系统 中图分类号：T P2 1 2 9 ； I S1 0 3 7文献标志码：B D e s i g no fl o o mm a n a g e m e n

3、 ts y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s D UJ u n l ，W UX i a 0 1 ，Z H A N GG u o a n 2 ( 1 S c h o o lo fE l e c t r i c a lE 愕讥咖，N a n t o n g ，如舸s 妙，N a n t o n g ，J i a n g s u2 2 6 0 1 9 ，C h i t i n ； 2 S c h o o lo fE l e a r i e sa n dI n f o m a t i o n 。N a n t o

4、n gU m v e r s 蚵，N a m o r 曙，J i a n g s u 2 2 6 0 1 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t I l lo r d e rt om o n i t o rr e a l t i m en m n i n gs t a t u so ft h e1 0 0 m 。a n di m p r o v et h ea u t o m a t i o n1 e v e lo f t h e t e x t i l ei n d u s t r ym a n a g e m e n t ，t h ep a p e rd e s i

5、g n sa s e to fl o o mm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt e c h n o l o g y n em a n a g e m e n ts y s t e mc a nd e t e c tt h er e a l t i m ec o n d i t i o ns i g n a l so fe a c hl o o mi nt h e w e a v i n gw o r k s h o p n es y s t e mr e g a

6、r d sp r o d u c i n gw o r k s h o p 鹪au n i ta n df o r m sn e t w o r kb ym u t e ra g r e e m e n t 。 a d o p t i n gt r e et y p e w i t hm a n yc o n v e r g e n c en o d e s T w o - w a yd a t at r a n s m i s s i o n h a sb e e nr e a l i z e d b yt h e c o o r d i n a t i o nb e t w e e ns

7、i n g l ec h i pc o m p u t e rt i m e ra n dn R F 9 0 5 n es y s t e mh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c s 鹊l o w c o s t h i g hr e l i a b i l i t ya n dt w o - w a yd a t at r a n s m i s s i o n I tc a nr e a l i z et h er e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o no ft h ew o r k s h o pa n d

8、 s e tu pl o o mt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，8 0t h ea u t o m a t i o nl e v e ro fe n t e r p r i s e m a n a g e m e n ti si m p r o v e d I ti s p r o v e dt h a tt h i ss y s t e mh a st h eg o o dp e r f o r m a n c e t o p r i c e r a t i oa n do p e nu pb r o a dp r o s p e

9、c t si nt h ep m j e c t f i e l d K e yw o r d sw i r e l e s ss e n s o r ；n e t w o r kt e c h n o l o g y ；l o o m ；m a n a g e m e n ts y s t e m 无线传感器网络( W S N ) 可简称为无线传感网。 无线传感器集成了传感器、无线通信、嵌入式计算 机、微机电系统以及微电子等各项技术，能够实时监 测和采集各种环境或对象信息并对其进行处理，通 过特定的网络技术将需求的信息传送给用户，其巨 大的应用前景引起了相关领域研究人员的广泛关 注u 。1

10、。本文提出了将无线传感器网络技术应用于 纺织企业生产过程的监测与管理，从而简化了系统 结构，减少系统硬件费用，还免除现场布置大量信号 传输线的麻烦，能有效地降低企业的生产管理成本， 大大提高企业管理的自动化水平。 1 系统总体结构 基于无线传感器网络技术的织机监测管理系统 结构如图1 所示。监测管理系统由无线传感器网络 和管理计算机构成。无线传感器网络按生产车间进 行组网，每台设备设置1 个传感器节点，该节点为数 收稿日期：2 0 0 8 1 0 1 3 修回日期, 2 0 0 9 0 4 。2 7 基金项目：江苏省高校自然科学重大基础研究项目( 0 7 K J A 5 1 0 0 7 ) 作

11、者简介：堵傻( 1 9 5 8 一) ，男，副教授。研究方向为信号检测、信号及系统分析。E - m a i h d u j n t u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第8 期堵俊等：基于无线传感器网络的织机监测管理系统 。1 3 5 据采集和无线传输的基本单元。每个生产车间设 1 个汇聚节点H 1 。系统中汇聚节点是车间内众多传 感器节点与管理主机连接的桥梁，汇聚节点一方面 将各传感器节点所采集的织机工况信息收集、汇总，

12、上传到管理计算机，另一方面将管理主机的生产管 理指令有选择地发送给各个传感器节点，控制织机 按给定的工艺参数工作。管理主机与各车间汇聚节 点间的多机通信采用主从结构方式，通信标准为 B S 4 8 5 。 图1 系统总体结构 F i g 1 O v e r a l ls t r u c t u r eo fs y s t e m 2 节点硬件设计 系统的节点包括2 种，一种是汇聚节点，另一种 是一般节点，即传感器节点。汇聚节点通过串口与 计算机相联，控制并管理W S N 区域内的所有传感器 节点。传感器节点不能直接和计算机相联，而是通 过发送消息给汇聚节点，再通过汇聚节点把消息传 送给计算机，

13、因此，2 种节点的硬件构成基本相似， 在传感器节点上添加串行通信模块即构成汇聚 节点。 2 1 节点系统结构 节点系统采用模块化结构设计，主要由控制模 块、无线通信模块、数据采集模块和电源模块等组 成，框图如图2 所示。 传感器接口板Is D 卡 Ge 单片机A T I g a 舡， G 气r 无线通信模块串行通信 n R F 9 0 5 接口模块 电源 图2 节点系统结构图 F i g 2 N o d es y s t e mc h a r t 控制模块是传感器网络节点的核心，由具有 2 8 引脚的低功耗单片机A T m e g a 8 L 和外围电路组 成，与其他单元一起完成数据的采集、处

14、理和收发 等。无线通信模块使用N o r d i cV L S I 公司生产的 n R F 9 0 5 单片射频收发芯片【副，工作模式为S h o c k B u r s t ，能有效减少系统损耗哺1 。数据采集模块负责 织机工况信息的采集，反映织机工作状态的所有信 号均从织机控制箱内相关测试点引出，经放大、隔离 后，通过多路转换器接入A T m e g a 8 L 数据输入口。 发射使用P C B 天线，由于n R F 9 0 5 天线接口设 计为差分天线，其无线传输距离可达到3 0 0m 左右， 可满足实际使用要求。 此外，系统配备有低功耗S D 存储卡，供不同节 点选用。同时提供B S

15、- 4 8 5 和R S 一2 3 2 通信方式供不 同的节点选择。 节点采用带后导电池的供电方式。织机正常工 作时由织机控制箱勺的直流稳压电源供电，而在织 造准备阶段节点系统可由后备电池提供能量。 2 2 节点硬件电路设计 节点硬件电路设计主要包括A T m e g a 8 L 与各模 块接口电路的设计。单片机A T m e g a S L 与n R F 9 0 5 的 连接设计如图3 所示。 P R A M P C S ( S C L ) P C 4 ( S D A 】 P C 3 ( A D C 3 ) P C 2 ( A D C 2 ) P C I ( A D C I ) P C 0

16、( A D C 0 ) G N D R E F A V c c 膪5 ( s C K ) P B 4 ( M I S O ) P B 3 ( M O S I ) P B 2 ( O C I B ) P m ( O C l A ) M I S O M O S I S S ，C _ N S 图3A T m e g a S L 与n B _ t 9 0 5 主要脚连接图 F i g 3 C o n n e c t i o nc h a r a b o u tA T m e g a 8 L a n dm a i nf o o to fn R 嘞 A T m e g a S L 利用S P I 口实现与

17、n R F 9 0 5 的双向通 信，配置n R F 9 0 5 内部寄存器和收发数据。图中 A T m e g a S L 的P B 2 作为n R F 9 0 5S P I 的选通控制信号。 n R F 9 0 5 的工作模式由A T m e g a S L 的P B l 、P B O 、P l Y 对 n R F 9 0 5 的T R X C E 、T X E N 、P W R U P 端进行赋值 来确定“ 。n R F 9 0 5 处于S h o c kB u r s t 接收模式时，在 接收到1 个包含正确地址和数据的数据包后，向 A T m e g a S L 的P D 4 和P

18、D 3 引脚发出地址匹配( A M ) 和 一姗删例州删哪 剐瑚川删川 一一一一一一一一一一一一一 =州刁纠到引a剽=r到引翮=川订司 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 6 纺织学报 第3 0 卷 数据准备好( D R ) 信号，A T m e g a 8 L 即可开始接收数 据。而在S h o c kB u r s t 发送模式下，当发送过程完成 后，通过D R 引脚告之单片机数据发送完毕。 电路设计时，应特别注意电磁兼容问题。由于 射频电

19、路对于电源噪声相当敏感，电路制作时，将 n R P 9 0 5 及其外围电路单独制板，在靠近芯片电源引 脚处采用电容去耦，隔开来自数字部分和来自R F 部分的电源噪声。实践证明，此举能有效地实现数 据的准确传输。 节点采用的存储器以S P I 模式与单片机通信。 由于A T m e g a 8 L 的S P I 接口已用于与射频芯片 n R F 9 0 5 通信，故利用A T m e g a 8 L 通用I OE l P C O P C 3 与存储器连接，采用软件控制的方式使P C 0 一 P C 3 实现S P I 功能，用于对存储器的读写控制。 反映织机工作状态的所有信号均从织机控制箱 内

20、相关测试点引出，经光电隔离后，通过多路转换器 M A X 3 9 6 与A T m e g a 8 L 相连。M A X 3 9 6 是一种低电 压、C O M S 工艺的单路、1 6 通道多路转换器。设计中 选用A T m e g a S L 的P D 2 作为M A X 3 9 6 片选控制，选通 地址信号由A T m e g a 8 L 的P C A 、P C 5 、P D 5 、P D 6 输出， 所采集的现场信号则从P D 2 口依次输入。 3 节点软件设计 3 1 节点软件设计流程 节点软件主要负责完成现场数据的采集和处 理，通过无线通信模块将采集数据包无线传送，接收 来自于汇聚节

21、点的命令，实现对织机工艺参数的设 定等。节点软件设计流程如图4 ( a ) 所示。 节点双向数据传输功能是通过对n R P 9 0 5 工作 模式控制实现的：系统工作时始终将n R F 9 0 5 设置为 接收状态，随时准备接收来自汇聚节点的命令，仅在 需要发送数据时才将其设置为发送状态。软件设计 时利用单片机内部定时器中断完成现场数据的采 集、处理和发送。为提高系统运行的可靠性，当检测 到n R P 9 0 5 数据准备就绪，D R 为高电平时，单片机置 n _ R F 9 0 5T R X C E 为低电平，使n R F 9 0 5 进入待机模 式，同时将定时器中断屏蔽。单片机通过S P

22、I 口读 取所有有效数据，重新置n R F 9 0 5 为接收模式后，取 消中断屏蔽。 3 2 定时器中断程序 定时器中断服务程序主要用于数据的采集、处 理和发送。定时器的定时值根据织机织造速度设 采集教据 采集数据 t N 今 tY 长三萝 ，N l 置n R F 9 0 5 为待机模式 1 一 l 通过S P l l ：1 写入地址与数据 置n R F 9 0 5 为发送模式 咚 1 1 n R F 9 0 5 为接收模式 一J ( a ) 节点软件漉程田( b ) 定时嚣中断服务程序沉程圈 图4 软件设计流程图 F i g 4 S o f t w a r ef l o wc h a r

23、t 8o fn o d es o f t w a r e ( a ) a n dt i m e ri n t e r r u p t i o ns e r v i c ep r o g r a m ( b ) 定。节点发送数据时，首先判断n R F 9 0 5 是否正在接 收有效数据，否则，置n R F 9 0 5 为待机模式。单片机 通过S P I 口写人接收节点地址和数据后，置n R F 9 0 5 为S h o c kB u r s t 发送模式，启动数据发送。数据发送 完毕，重新置n R F 9 0 5 为接收模式后返回。程序流程 图如图4 ( b ) 所示。 3 3 组网路由协议设计

24、 由于织机监测管理系统是以生产车间为单位进 行组网，提出了多汇聚节点的树型路由协议。这是 一种改进的低功耗自适应路由L E A C H ( 1 0 w e n e r g y a d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r e h y ) g 法旧柚 。整个路由协议 包括拓扑建立、路由维护和数据转发3 个过程。汇 聚节点发送的广播包含有到汇聚节点的跳数、汇聚 节点地址、转发节点地址、数据包编号、控制织机的 命令等信息。 初始化阶段，汇聚节点到汇聚节点的跳数置 为0 ，传感器节点到汇聚节点的跳数置为最大值。 管理主机通过R S - 4 8 5 传送网络

25、建立和控制织机的 命令给各汇聚节点，汇聚节点发送广播包，汇聚节点 的邻居节点在收到汇聚节点的广播后，选择汇聚节 点为父节点，设置到汇聚节点的跳数为l ，并发送广 播包。周围节点收到广播包，选定父节点，设置到汇 聚节点的跳数为2 ，同时发送广播包，直到网络中所 有节点都设置了自己到汇聚节点的跳数为止。这 样，各生产车间就形成了一个以汇聚节点为根节点 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第8 期堵俊等：基于无线传感器网络的织机监测管理系统 1 3 7 的树

26、型拓扑结构。 路由维护阶段，各传感器节点周期性发送路由 维护包，重新寻找父节点。当数据包多次发送失败 时，可判为路由失效，需要发送路由维护包，寻找新 的节点，建立新的路由。通过分析各节点的路由信 息，实时检测各节点的工作状态，一旦某节点未上传 数据，及时报警并报告节点位置，通知维护人员维修 或更换传感器节点，从而保障系统通信的可靠性。 数据转发包括从传感器节点到汇聚节点的采集 数据传送和从汇聚节点到传感器节点的命令信息传 送。采集数据传送时，每个传感器节点将采集信息 按照路由表中的父节点地址进行转发，传送到汇聚 节点。命令信息传送可采用广播的方式来实现。 4结语 本文利用低功耗单片机A T m

27、 e g a 8 L 和n R F 9 0 5 芯 片设计了一种低成本、高可靠性，具有双向数据传输 功能的无线传感器网络，用于江苏南通某色织企业 3 个织造车间的监测与管理。该系统通过无线传感 器网络对每台织机的织造、经停、纬停、手停等1 3 个 反映织机工况的信号进行检测，供管理主机完成车 间工况显示、织机效率分析和各类统计报表等。同 时，管理主机设定的机台工艺参数通过汇聚节点发 送给传感器节点，传感器节点通过R S 一2 3 2 接口传送 给自主研发的纬纱选色控制器，控制织机的色织工 艺。由于纬纱选色器能自动对织机的打纬、退纬信 号进行检测，并对人工拆布进行处理，故能精确地完 成机台产量统

28、计和定长落布。系统实现了从生产车 间数据的实时采集到厂部管理的自动化，具有投资 少、可靠性高、组网灵活、维护方便等特点，有良好的 应用前景。 参考文献： 1 孙利民无线传感器网络 M 北京：清华大学出版 社2 0 0 5 S U NL i m i n W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k M B e i j i I l g ： i n g h u aU n i v e r s i t yP r e s s ，2 0 0 5 2 马祖长，孙怡宁，梅涛无线传感器网络综述 J 通信 学报。2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：1 1 4 1 2 3 M A

29、Z n c h m g ，S U NY i n i n g ，M E IT a o S u r v e yo nw i r e l e s s n s o r 8n e t w o r k J J o u n u do nC o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 4 ， 2 5 ( 4 ) ：1 1 4 1 2 3 3 H E I N Z E L M A N W R C H A N D R A K A S A NA ， B A L A 舢H N A NH E n e r g y e f f i c i e n t c o m m u n i c a t i o n

30、p r o t o c o lf o rw i r e l e s sm i c r u s e n s o rn e t w o r k s C R A L P HH S p r a g u e P r o c e e d i n g so ft h e3 3 r dH a w a i iI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo nS y s t e mS c i e n c e s ( m C S S ) H a w a i i ：I n s t i t u t e o fE l e c t r i c a l E l e c t r o

31、 n i c s 2 0 0 0 4 周兰姜，李正东，罗玉平基于无线传感器网络的瓦斯 浓度监测系统的硬件设计 J 传感技术学报，2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 1 ) ：2 5 2 2 2 5 2 5 Z H O UL a n j i a n s ，L I 珏e n g d o n g ，L U OY u p i n g H a l d w - e p l a t f o r mo fg a sd e n s i t ym o n i t o rs y s t e mb a s e do nw i r e l e s s 8 4 e n s o rn e t w o r k J C h i

32、 n e s eJ o u r a n a lo fS e n c o r sa n d A c t u a t o r s ，2 0 0 7 ，2 0 ( 1 1 ) ：2 5 2 2 2 5 2 5 5 冯莉，董桂梅，林玉池短距离无线通信技术及其在仪 器通信中的应用 J 仪表技术与传感器。2 0 0 7 ( 2 ) ： 3 l 一3 2 3 8 F E N GL i ，D O N GG u i m e i ，L I NY u c h i A p p l i c a t i o no fs h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n

33、 i c a t i o nt oi n s t r u m e n t sc o m m u n i c a t i o n J 】I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r ，2 0 0 7 ( 2 ) ： 3 1 3 2 3 8 6 郝妍娜，洪志良基于M C U 和n R F 9 0 5 的低功耗远距 离无线传输系统 J 电子技术应用，2 0 0 7 ( 8 ) ：4 4 4 7 H A OY a n n a 。H O N GZ h i l i a n g Al o w p o w e rl o n g - r a n g e

34、 w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r mb a s e do nM C Ua n d n R F 9 0 5c h i p J A p p l i c a t i o no fE l e c t r o n i cT e c h n i q u e ， 2 0 0 7 ( 8 ) ：4 4 4 7 7 N o r d i cV L S IA S AI 耻S i n g l e C h i p4 3 3 8 6 8 9 1 5 M H z T r a n s c e i v e rr I l l 脚5 D a t

35、a s h e e t M N o r w a y ：N o r d i c ， 2 0 0 5 8 C H O IJ i n y o u n g ，C H OJ o o n s i c ，P A R KS e o n h o ，e ta 1 A c l u s t e r i n gm e t h o do fe n h a n c e dt r e ee s t a b l i s h m e n ti nw i r e l e s s n s o rn e t w o r k s J I C A C T ，2 0 0 8 ( 1 7 2 0 ) ：1 1 0 3 1 1 0 8 9 T

36、S MY u h r e n C o v e r a g e p r e s e r v i n 8r o u t i n gp r o t o c o l sf o r r a n d o m l yd i s t r i b u t e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s J I E E E T r a n s a c t i o no nW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 7 ，6 ( 4 ) ： 1 2 4 0 l Z 4 5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark