基于物联网的多级液压监控系统无线网络通信研究

摘要

本文提出了一种基于物联网的多级液压监控系统。与传统的有线系统相比，该系统工作方式灵活，节约了成本。它具有功耗低、安全性高、网络规模大等优点。利用ZigBee网络中的节点可以实时采集压力和流量数据。本研究采用了故障检测和诊断过程，通过测量流量压力来促进故障检测和诊断。当监测数据超出正常范围时，级液压系统可能出现故障。如果电路出现故障，可以第一时间通知维修人员，大大提高维修效率，保证故障被及时排除。同时，我们可以利用无线传感器网络(WSN)将多个环路连接起来，利用ZigBee技术对环路进行监控，大大提高了监控的效率。

1.介绍

众所周知，升降台是剧院不可缺少的一部分。它有许多重要的功能，如快速变换布景，满足舞台的工艺安排，制造特殊的气氛和效果，以及根据演出的需要改变舞台形式。Chen和Wang研究了试验平台的液压控制系统设计，以及刀盘/管片拼装机/螺旋输送机液压控制系统加载仿真与驱动实验单元、推力控制系统单元仿真、分别对多自由度管片拼装单元液压缸运动控制测试系统进行了讨论[1］．Li等设计了一种三段式液压升降平台控制系统，该系统可以高精度地控制平台的位置，实现平台速度的完美同步[2］．Miao和Wang建立了液压升降系统的失效模块和协同失效仿真平台，失效仿真平台可以实现集成失效模式和失效效果分析[3.］．升降平台包括主舞台升降平台、乐池升降平台、观众升降平台。此外，为了配合骑乘等设备的使用，还存在垂直方向移动的可移动舞台。补偿台和微型台灯也可归类为升降台。在舞台液压系统的基础上，升降平台起着重要的作用。讨论了复杂机电液系统端到端系统模型的开发[4］．Dong等建立了用于故障检测与隔离(FDI)的液压自动厚度控制(AGC)系统的非线性模型[5］．Tan和Sepehri提出了一种参数化故障诊断(FD)方法，并表明，对于高度非线性和动态液压驱动系统，该方法为提取重要信息以辅助故障检测和隔离提供了有效手段[6］．Goharrizi和Sepehri首次研究了Hilbert-Huang变换(HHT)在阀控液压执行器内泄漏检测中的适用性[7］．FD方案使用测量的输入输出信号来建立有关被监控系统中可能出现故障的信息[8，9］．

由于液压系统的工作台相对较大，故障在所难免。失效原因多种多样，如液压元件的染色老化、各种杂质的干扰、油的腐蚀、液压回路的流量和压力不稳定等。舞台液压系统一旦出现故障，很难准确锁定故障位置，找出故障原因。液压元件的故障也很难检测出来，这会导致工作效率低，影响维修的速度，甚至有可能影响整个系统的性能。因此，设计有效的级联液压安全监测系统，及时定位故障位置，采取措施将损失降至最低是十分必要的。

IoT是一个互连的网络，其中对象可以通过网络传输数据。它是通过射频识别（RFID），传感器，全球定位系统和其他信息感测设备，以通过互联网连接世界上的任何内容，并根据商定的协议在对象和网络之间进行信息交换和通信。在 [10]，提出一种语义数据模型来存储和解释物联网数据，并设计一种基于资源的数据访问方法(UDA-IoT)，以无处不在地获取和处理物联网数据，提高物联网数据资源的可访问性。Lazarescu提出了一个完整的WSN平台的功能设计和实现，该平台可用于一系列长期环境监测物联网应用[11］．Amendola等人对RFID应用于身体中心系统和收集用户生活环境信息的现状进行了调查[12］．Chi等人提出了一种新的设计方法，采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为核心控制器，用于物联网环境下的工业WSN可重构智能传感器接口[13］．作为物联网的重要组成部分，无线传感器网络在智能家居、精准农业、林业监测、智能交通等领域的应用逐渐扩大。Mao和Zhu提出了一种新的用于移动无线传感器网络中高效数据传输的源发起按需路由机制[14］．Mao等将博弈论应用于解决无线网络的网络安全问题，提出了一种新的无线传感器网络入侵检测框架[15，16］．Briff等人利用统计估计技术提出了WSN节点同步所需能量的下界[17］．Lu等描述了一种基于ascii的传感器网络设备的系统架构和设计方法，以满足一类应用的某些属性[18］．Shen等人提出了一种新的基于Tyndall异构自动化无线传感器(THAWS)的自动路由选择方法，以充分利用系统资源，节约传感器系统能量[19］．Choi等人描述了一种用于安全系统的蓝牙无线传感器网络，包括系统架构、电源管理、网络自配置、路由等实现问题。20.］．

与其他物联网技术相比，ZigBee具有许多优点，例如低功耗，高安全性能，最大网络尺寸和低成本。此外，ZigBee无线网络还具有低复杂性和数据速率。这些功能使ZigBee适用于自动控制和遥控器，可以嵌入多种设备中。除了稳定的双向和多点通信能力外，ZigBee技术还具有灵活的适应性和可扩展性，因此它不需要复杂的服务器和其他设备。全功能设备和简化功能设备是任何ZigBee网络的唯一一部分。可以通过增加全功能设备或简化功能设备来扩展网络，这为各种应用提供了极大的灵活性。yi等人。在WiFi干扰下彻底评估了智能电网应用的ZigBee性能。已经引入了理论模型，其次是相应的仿真模型，它通过Matlab或Simulink完全反映了ZigBee和WiFi共存功能[21］．提出了一种由定期维修和即时维修组成的网络维修方案[22］．如果路由器失去了它的父节点，它会尝试立即修复以重新连接到新的父节点。Ding等人研究了ieee802中高效、简单的数据广播。15.提出了利用ZigBee网络层次地址空间的自剪枝和转发节点选择算法[23］．已经提出了一个双无线电ZigBee主页网关（DR-Zhg）并实施以支持[24］．

根据ZigBee技术的上述优点，我们选择ZigBee来构建一个无线数据通信网络。传统的监测方法只能在一个回路中进行，当另一个回路出现故障时，监测系统无法及时发现故障。采用ZigBee技术可以利用WSN连接多个环路，然后对多个环路进行监控，大大提高了监控效率。利用ZigBee网络中的节点，可以实时采集压力和流量数据。通过建立和运行舞台网络监控系统，舞台管理部门可以实现实时的运行状态。当其中一个回路发生故障时，可以立即通知最近的维护人员。因此可以大大提高阶段运行故障的响应速度，保证故障及时排除，人员能够得到及时的救援，以保障阶段的安全运行。通过对各阶段测井数据的分析和计数，可以了解各阶段运行过程中发生故障的类型和概率。分析潜在的不安全因素，为日常维护提供直接数据支持，提高维护工作的针对性，降低维护成本。

本文组织如下。节2，我们介绍了阶段液压监测系统的组成。监测理论将在一节中描述3.．节4详细介绍了舞台液压监控系统各部分的设计。监测数据和分析将在本节中讨论5，结论是在一节中绘制的6．

2.阶段液压监测系统的组成

ZigBee网络有三种拓扑形态，分别是星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑[25］．结合阶段液压系统的实际情况，并且由于条件有限，我们在本文中选择星形网拓扑，其包括协调器节点和多个终端节点。每个端节点只能与协调器节点通信，并且必须由协调器节点转发两个结束节点之间的通信。

该系统由传感器节点部分、协调器部分和PC部分三部分组成。它由一个功能齐全的协调器、多个配备压力和流量传感器的终端节点组成，实现点对点传输。Coordinator通过串口与PC机连接，终端节点布置在环境监测区域的不同位置，通过其上的传感器监测环境参数。最后，通过无线方式将舞台液压系统的监测数据通过天线发送给协调器。通过协调器与PC机的连接，可以将环境监测结果显示在PC机上，实现对节点压力和流量的监测。舞台液压系统示意图如图所示1．

该系统的主要任务是监控舞台的压力和流量。当特定节点索引高于阈值时，监控系统将向员工发出警报。PC接收和处理数据，然后绘制实时动态曲线，而主计算机可以保存所有节点的测量数据以便于划分的划分。

3.监控理论

基于Z-Stack协议栈的C语言进行系统软件设计[26]在节目安排上;软件为8051 IAR嵌入式工作台。该系统包括传感器节点和协调节点。协调电网形成后，传感器节点自动发现并加入网络。协调节点负责数据的收发和与PC的通信。传感器节点可以发送和接收数据，但无法转发数据。

在实验过程中，让每个节点(包括协调器和多个终端设备)通过编译好的仿真器下载IAR程序。下载完成后，重置节点并安装天线，然后重启节点，节点才能开始工作。

传感器部分由压力传感器和流量传感器组成。当舞台液压系统工作时，两个传感器同时工作。通过数据线将传感器与CC2530芯片的一个IO端口连接。当油液流经压力传感器和流量传感器时，可将实时数据传输到CC2530芯片。被测数据为模拟信号，可通过CC2530中的AD转换段转换为数字信号，从而进行后续的数据传输。在本文中，我们选择IO端口P07作为访问点。

协调器是阶段液压监测系统的核心部分。它的作用是建立网络，打开电源后打开允许的绑定功能。传感器节点在开机后加入网络并自动启动绑定请求。在传感器节点和协调器之间的绑定之后，转换后的数字信号以无线传输方法发送到协调器。最后，测量的数据通过串行连接传输到PC，然后进行数据处理。数字2显示无线传感器节点的模型，ZigBee网络的工作流程如图所示3.．

4.舞台液压监控系统的设计

4．1.协调员

每个ZigBee网络都有且只有一个核心部件来构建ZigBee网络。网络结构图如图所示4．当一个节点加入时，地址被分配给子节点，通常定义为不能下电的设备，没有低功耗状态。每个ZigBee网络只需要一个协调器，不同的网络具有不同的PAN id。协调器在捕获中断时进行判断:如果是新节点加入网络的请求，则协调器分配网络地址并绑定;如果是对新增节点的控制请求(如串口通信请求)，则调用相应的处理函数进行处理。当数据处理完成时，协调器返回等待请求进入侦听状态。数字5显示协调器的流程图。

协调器在构建整个网络，与传感器节点绑定接收数据，并通过串口将接收到的数据发送到所连接的PC上起着非常重要的作用。

根据协调器节点的功能需求，在节点的应用层定义SampleApp任务，完成用户层的数据采集和通信。用户任务定义为串行通信事件、无线通信事件和睡眠事件。串行通信事件主要是与上位机进行数据通信;无线通信事件主要是节点之间的相互通信，包括流量和压力数据采集[27，28]、控制命令、节点路由和拓扑信息;休眠事件是为了通知节点进入休眠状态。

协调节点与各传感器节点之间的通信采用单点传输方式;终端设备只与协调器通信。为了实现这个功能，协调器必须知道每个集合节点的网络地址，这就要求每个节点加入网络后将自己的网络地址发送给协调器。协调器接收到网络地址后，建立网络地址表存储这些地址，用户根据地址表收集各个传感器的数据，方便协调器节点和各传感器节点之间的通信。

首先，协调节点需要完成串口、网络操作系统等程序的初始化。主要有操作系统的初始化、串口和硬件。初始化是通过函数osal_init_system()、MT_UartInit()和HAL_BOARD来执行的INIT()。其次，基于IEEE 802.15.4标准，利用2.4 GHz扫描出一个16个信道的自由信道来构建新的网络。通道扫描过程由MAC_MlmeseanReq (maeMlmeSCanReq_t .)完成pData)函数。第三步是建立网络。在通道扫描成功后，调用函数NLME_Network discoveryrequest()建立网络。第四步是接收数据，节点成功加入网络后，整个WSN进入监控状态。当协调器接收到从子节点传输的信息时，它通过SampleApp_MessageMSGCB (afIncomingMSGPacket_t)处理信息pkt)和PKT指向收到的数据包。如果接收到的集群ID是SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID的信息，则向串口写入字符串的函数HalUARTWrite (0， &pkt->cmd. sh)。数据[0]，5)将被执行。

由于Z-Stack协议栈提供了协议框架，IAR EW8051中的协调器代码只需要在App层修改即可。ZigBee网络遵循信标启用模式，其中通信由协调器定期发出的特定帧(信标)同步。为了将ZigBee集群树的信标间隔分配给集群的超帧，该算法遵循时间分割策略。为了避免在任何集群中没有任何活动的时间段，目标是最大限度地利用网络的信标间隔。因此，需要考虑超框架阶数的分配问题。

在ZigBee传感器网络中，数据从终端节点转发到网关或中心节点，这些网关或中心节点很可能驻留在协调器中。这种集中可能会导致协调器成为流量瓶颈。为了避免这种情况，协调者的活动时间应该是有特权的。优化协调器角色的一个简单算法是设计它的超帧顺序(SO_l)的值是其他集群协调器的两倍: 在哪里为网络中协调员的数量。所有超帧的聚合必须不大于全局信标间隔: 在哪里和的超帧持续时间和超帧顺序分别th协调员。所以我们获得 由此我们可以推导出以下二次方程: 的最大值避免信标碰撞可以从这个方程的正根推导出来:

作为被定义为，在大多数情况下，上述策略往往会高估协调器的超框架。为了弥补这一点，我们提出了一种之前方法的变体，即协调器的SD只是路由器SD的两倍。为了达到这个条件，协调器的超帧顺序(SO_l)设置为路由器的顺序值加1个单位，方法如下:

使用这些值并解决(2)，我们得到以下资料:

为了在启用信标的集群网络中作为协调器进行操作，节点必须发送信标并接收与其关联的节点通信的争用访问周期。此外，协调器通过从父节点接收信标来保持与父节点的同步。协调器的活动在很大程度上取决于它在网络中的位置，因此也取决于请求的吞吐量。由于无线电发射和接收模式的功耗非常相似，我们估计一个协调器在竞争访问期间的功耗等于接收模式的功耗。上行方向的数据流由每帧包含传感项的长MAC有效负载执行。协调器(DC)的占空比_作)模型如下: 在直流_作为协调器的占空比，是灯塔传输时间，是帽（争用访问期）长度，感知在长帧中传输的项目(值12)，为根据本文定义的后退模型，长帧的数据传输时间，在协调器之下的层次节点的数量，和是设备的数量。

类似地，协调器的平均功耗可以通过如下方式计算: 在哪里是协调器的平均功耗，是测量平台功耗的符号，和根据本文定义的后退模型，为长帧数据传输的能量。

协调器的平均功耗是上行数据传输间隔的函数。在分析设备功耗的情况下，网络扫描的时间间隔为3小时。使用非常低的数据速率网络，协调器的功耗可以低于200μ在典型的应用程序中，协调器的功耗在1到10 mW之间。

4．2．终端设备

终端设备的程序与协调器的程序几乎相同。在一些关键点上会有一些不同，比如设备类型的选择。采集器节点的类型为coordinator，而传感器节点仅作为启动的终端设备节点。端部装置流程图如图所示6．

如上所述，理想情况下，整个网络可以支持超过64000个ZigBee节点。实验中使用了多个终端，我们只需要分别下载“Coordinator”程序到这些终端。所有终端节点的PAN ID与协调器相同，协调器将自动连接到同一个ZigBee网络。

当网络建立完成时，可以打开终端节点加入网络。完成节点操作系统和串口的初始化，然后通过发送请求和调用相应的函数加入网络。最后，传感器节点也需要绑定到协调节点。

第一步是初始化每个传感器节点、LCD和UART串口的操作系统。osal_init_system()、InitLcd()、HalUARTInit()和其他函数需要进行初始化。其次，当存在网络时，网络层会将ZDO层的信息反馈给传感器节点。通过网络层请求加入网络，需要使用NLME_NetworkFormationRequest()函数加入网络。第三，传感器节点与协调节点的绑定是必要的。传感器节点收到加入网络的响应后，调用ZDP_EndDeviceBindReq()函数请求绑定。绑定完成后，就可以实现数据的发送和接收。第四步是发送数据。我们需要注册事件，设置号码，发送时间。SampleApp_TaskID函数用于注册事件，SAMPLEAPP_AA_PERIODIC_MSG_EVT函数用于设置数字，SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT函数用于设置定时发送数据的时间。 When a registered event occurs, SampleApp_SendPeriodicMessage ( ) is required to set the transmitted information.

为了能够在ZigBee网络中操作，终端设备接收信标并用协调器交换数据。如果与协调器的通信链接丢失，则终端设备执行网络扫描。设备的其余时间在睡眠模式下。设备的占空比（DC_DEV)通过信标接收、上行和下行数据交换和网络扫描计算。平均网络扫描间隔(INS)取决于设备速度和无线链路质量。直流_DEV可以计算如下: 在直流_DEV为设备的占空比，通过信标接收、上行和下行数据交换以及网络扫描计算得到。为信标间隔。为上行数据传输间隔。为下行数据传输间隔。是平均网络扫描间隔，它取决于设备速度和无线链路质量。为网络扫描时间。为ACK接收时间。为信标接收时间。为ACK传输时间。为数据请求后的间接数据传输时间。为根据本文定义的后退模型，短帧的数据传输时间。是每帧传输尝试的平均次数。

同理，设备功耗表示为: 在哪里为设备的平均功耗。为网络扫描能量。为ACK接收能量。是信标接收能量。为ACK传输能量。为数据请求后间接数据传输所需的能量。根据本文定义的后退模型，为短帧数据传输的能量。是被测平台功耗的标志。

终端设备的平均功耗是上行数据传输周期的函数。网络扫描间隔平均约为3小时，对应的是动态度较低、链路质量较好的部署。一般来说，随着信标和上行数据传输间隔的延长，功率消耗会降低，因为信标接收和数据传输所需的能量会减少。当信标间隔较长时，网络扫描功率显著，因为网络扫描能量直接增加信标间隔。

4．3．电脑的一部分

在PC部分，可以使用串行调试助手查看数据。串口、波特率、奇偶校验位、数据位、停止位在使用时必须设置。打开串口后，可以在数据框中显示接收到的数据。为了加强监控系统的功能，直观地显示监控系统的运行状态，设计了基于MATLAB GUI界面的舞台液压监控系统。阶段液压监控系统界面包括接收数据的实时显示、实时数据曲线绘制、COM口的选择、波特率的选择、数据位和停止位的选择、数据读取间隔的定义、开串行、关串行等功能。

5.监控数据及分析

在获取监控数据时，需要设置串口、波特率、奇偶校验位、数据位和停止位。如果串口打开，可以在串口调试助手的数据框中显示接收到的数据。并在MATLAB GUI界面中对串口参数进行了设置。测试数据详细信息如下:告警数据:{32 32 49 46 48 86 32 32 49 46 48 86 32 32 49 46 48 86}。正常数据1:{80 82 69 83 85 82 69 58 56 53 32 32 10 70 76 79 87 58 56 53 10 77}(接收字节= 330)。正常数据2:{84 69 77 80 49 58 50 56 32 67 10 71 65 78 58 50 56 32 67 10}(接收字节= 2200)。可显示实时数据，并根据这些数据绘制实时曲线。数字7正常情况下为GUI监控界面。

在上位机软件监控系统中还设计了报警模块。当监控数据超出正常范围时，如图所示8显示时，一个警告框将跳出来通知工作人员对舞台液压系统进行适当的紧急处理。

与传统的有线系统相比，该结构不仅工作方式灵活，而且节省了空间和成本，易于实现。我们可以对压力和流量数据进行实时监测。一旦电路出现故障，可立即通知维修人员，大大提高维修效率，保证故障被及时排除，性能成功。

6.结论

该系统借助ZigBee技术，可以对舞台液压系统进行实时监控，并成功实现了动态曲线的数据采集和实时显示。设计了MATLAB GUI界面，直观地显示监控系统的运行状态。一旦发生故障，将触发报警，通知维护人员及时查找故障位置。因此，该系统可以提高维护效率，保证表演者的安全及演出的成功。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

确认

本研究由国家科技支撑计划项目(no。2012 bah38f01-04)。

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