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技术与应用

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技术与应用

基于AdHoc 无线自组网测量系统组网技术研究

发布日期:2015-05-29 09:27    浏览次数:

林宿寒,王子异,刘疆
(华东理工大学机械与动力工程学院,上海2∞237)
摘要:应用AdHoc 移动无线网络和激光测距技术, 5 个站点自组成一个临时性的AdHoc 网络,各站点采用MCS-51 单片机或工控机控制,实现对激光测量数据的实时传输及处理和对测量点的控制。MAC 层采用载波监昕多路访问接入协议CSMA ,退避算法采用非坚持算法。在DSDV 和DRS 协议基础上,自行设计了无线自组网路由协议。通过相关分析对其进行了验证,实际运行效果良好。
关键词:钢包液位测量; Ad Hoc 移动无线自组网;激光测距; MAC 层协议
在连铸过程中,钢水从钢包梳入中间包时,要避免将钢渣带入中问包。在多炉连浇过程中,这些钢渣将由于乳化作用进入结局器,不仅影响铮坯的纯净度,而且还能引起漏钢,迫使连浇终止。另外,流出的钢渣还会侵蚀钢包下水口及中间包耐火材料,影响其寿命。因此,浇铸终点的控制对连铸生产来说十分重要。浇注终点的控制有两种方法:人工控制和自动控制。人工控制时,操作工估计浇拄即将终了,直接观察浇注钢流有无混渣;自动浇注终点控制是利用钢渣检测装置,在钢液混渣时自动关闭钢包滑动水口。由于费用较高,目前国内对于钢渣检测装置应用还不多,一般采用肉眼观察的办法。借助于钢包称重装置测得的钢包重量,浇钢工根据经验估计出钢包的空重和渣的重量,判断出浇注终点的时间。此方法的劳动强度很大,而且有精度不理想、寿命低、实时性差及拆卸难等缺点。由于钢水周围存在严重的温度梯度和热气流,使得测量环境恶劣,影响测量精度。加上生产车间环境较差,铺设线路困难且易被破坏,干扰大,使得测量系统的实时性和可靠性难以保证。针对这个急需解决的技术难题,并受国内某企业的委托,我们设计了一套钢水重量测量系统,通过测量钢水商度来确定浇注终点的时间,并把测量站点和控制站点(共5 点)组成一个网络。
1 总体技术方案
1.1 Ad Hoc 移动无线
无线自组网又称移动多跳无线网络,属于无中心结点的网络,它是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统[1 1 0 Ad Hoc 网络是美国军方在20 世纪70 年代资助的分组报文无线交换技术,最初的动机在于满足战场生存的军事需要,目前民用还处于尝试性阶段。它具有自创造、自组织和自管理的特点,具有较强的抗毁性,适合在无法铺线且节点移动的恶劣情况下提供一种通信支撑环境。在钢水高度测量中应用AdHoc 技术就是很好的尝试。激光具有高度相干性、高度单一性、高亮度、方向性强等4 大特点。这使得激光在测距领域内有着很好的应用I2] ,使测量精度显著提高,绝对测距精度已达0.01 mm 量级,引起了测量领域内的深刻变化。特别是在恶劣环绕中,尤显强处。
1.2 网'售票..铺掬
系统拓扑采用对等式平面结构如图1 所示。

整个测量系统由2 个钢包测量站点、2 个手持移动测控站点、→个固定测控站点(工控机)组成。5 个点自组成一个临时性的Ad Hoc 网络,实现对激光测量数据的实时传输及处理,和对测量点的控制。测量与移动站点均采用单片机控制。
2 站点硬件
测量点A 和B 是固定站点,实现钢水液位实时测量及温度测量并无线发送。系统采用黑匣子工作方式,单片机采用W78日阻,与工业标准的MCS-51 指令集合和输出管脚兼容。本系统传感器采用德国进口的相位式激光传感器,型号为: LRFS0040 ,测量精度30m 以内O.lcm 。光源是650nm红色可见激光。测量速率: 5日Zo RS232 通信接口。工作温度小子60 0 。
无线发射模块为国产ZFOl 模块, FSK 半双工,输出功率10Mw ,接口速率: 1200 bps -19 200 bps ,传输距离: 100m,RS232 接口。本系统传输速率设定为9600 bpso温度测量采用TLC0832 模数转换芯片[3J对热敏电阻,单片机的PO 口控制,通过数据处理可精确到0.1 度。目的在于对激光测距仪工作温度进行监控,实现过热保护。单片机的RS232 接口采用MAX232CPE 及74LS125 芯片,可以提供两路232 接口及选通信号。单片机RS232 接口电路如图2 所示。

C 和D 站点是手持移动测控点,实时接收测量站点的数据并对测量点实现控制,可以调整激光测距仪精度、测量速
率及开关。C 和D 的移动使得系统拓扑结构变化,自组成新的临时性的网络。移动站点硬件和测量站点相似,不同在于加了一个LCD 和键盘输入模块。LCD 采用RT1 602C 模块。单片机硬件原理框图如图3 所示。

固定测控点E 采用计算机作为主机,主要完成数据实时显示和处理,并对测量点进行控制。
3 数据通信技术研究
3.1 基于单信道的MAC 层和差错控制算法
目前AdHoc 网络中MAC 协议有多种,由于本系统终端发送业务的时间比较少,网络的业务量小,网络节点不多,节点之间的传输速率最高为19.2 Kbpso MAC 层可采用载波监昕多路访问接入协议CSMA ,退避算法采用非坚持算法。通过设计相应的路由协议,实际使用中测得整个网络的吞吐量可达到65%。差错控制采用连续ARQ 法,对传输差错发生的进一步处理,采用Go-back-N 策略,计时器设置80 ms。
MAC 层帖格式为:
帖头 路由路径 类型        数据        CRC校验码
其中:
帖头: 3 字节数组, "STR" 。路由路径: 5 字节数组,从源地址到尾地址按路由顺序排列。类型: 2 字节, 11 为数据帖, 33 为确认帖, 55 为重发帖。数据: 5 字节,可以是测量数据或控制命令。CRC 校验码: 4 字节,采用美国IBM 公司的CRC-16 生成多项式和按字节算法[4J 。
3.2 路由协议
关于无线自组网中的路由策略,目前已有多种办法,例如,基于表驱动的主动路由协议DSDV(Destin南tion SequencedDistance 驰ctor) 、WRP (Wireless Routing Protoco 1 )协议等;另一类是基于按需要求的DRS(Dynamic So肌e Routing)、
AODV(Ad Hoc on Demand Distance Vector)协议等[1 J 。本系统负载稳定、节点少、拓扑结构变化不大,采取主动路由协议,在DSDV 和DRS 协议基础上自行设计了无线自组网路由协议。
每一节点事先固定l 张路由表,遇到连续8 次发送失败,则进行路由发现和维护。路由路径为5 字节数组,Addr[O]是始发地址, Addr[I]-Addr[4]分别依次为路由路径和尾地址,当路由节点少于5 时,则剩余位由O 补上。节点在接收到帖时,首先确定是不是发给自己的(通过判断Addr[l]是否等于本站地址),若不是则不管。假如是,再判断是不是尾地址,若是则校验并按本节点路由表的路径回复。假如为中间节点,则更改路由路径,把表中Addr[1 ]去除,后面往前移一位,末位补0 ,其他不变,组成新路由路径并发送。简单地讲就是在路由过程中,路由路径删减,最后只剩下始发地址和尾地址。这样就可以有效避免中间节点多次重发,减少冲突,提高系统吞吐量。
3.3 路由发现和维护
路由发现过程即节点的局部路由组擂,路由包在传送过程中路由信息表会记录经处理过该路由包的结点地址。路由发现包格式:
报头 源地址和尾地址 路由信息表      CRC校验码    
其中:
报头: 3 字节数组, "L四";路由信息表: 3 字节数组,包括经过的中间结点。节点处理路由包过程如图4 所示。

当结点在收到组播路由包时,如发现自己己经在中间结点地址列表中出现,就表明它已经处理过该路由包,不再处理该包,避免了因重复处理组播路由包而导致持续的组播,抑制泛洪。
3.4站点软件设计

测控点软件用C++ Builder 编程环境,包括界面设计、人机对话、数据处理、无线通信、故障自诊断和报表打印输出等功能。无线通信是工控机通过串口发送给无线模块,串口控件采用Victor 串口VCL 控件,比较适用于与单片机和仪表的通信。此控件使用简单、安装简单。测量站点数据发送软件流程如图5 所示。
4 系统吞吐量分析
单位时间内在倍道上成功传输的信息量定义为吞吐量。),设信道误码率为a ,平均传输延时为T ,传输速率为Vbitls ,帖长度为R ,信息位长为n ,则吞吐量为

本系统无线发送模块的发送误码率在万分之一,经计算理论吞吐量可达到75% ,实际演示运行测得在65%左右,可以满足钢包测量系统的数据实时发送和接收。
5 结束语
Ad Hoc 移动无线自组网络目前还是主要应用在军事领域,在民用领域还处于试验性质,特别是几十个节点的应用还处于试验室阶段。在钢包测量中的运用是→个很好的尝试。假如采取多信道通信,其吞吐量和可靠性还可以进一步提高。
参考文献
1 王金龙.AdHoc 移动无线网络[M]. 北京:国防工业出版社, 2004.
2 中国矿业学院矿山测量教研室.激光测距仪[M]. 北京:煤炭工业出版社, 1980.
3 丁元杰单片微机原理及应用[M]. 北京:机械工业出版社, 2002.
4 张惠民.计算机网络技术[M]. 上海·华东理工大学出版社, 2002.
5 潘永雄.新编单片机原理与应用[M] 西安:西安电子科技大学出版社, 2003.
6 洪锡军.无线自组网路由协议研究[J] 计算机工程, 2005 , 31(8):105-107.