「多跳无线控制电缆安装系统」- 传感器和执行器网络设计及应用

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 5（2019）227www.elsevier.com/locate/icte多跳无线控制电缆安装传感器和执行器网络的实现渡边正弘大分国立工业大学信息工程系，Maki 1666，日本接收日期：2019年8月15日;接受日期：2019年在线预订2019年摘要在厂房建设过程中，需要敷设长而重的电缆。目前的电缆安装系统通过电力辅助来驱动电缆通过，以便减少工人的身体压力。但是，系统无法按顺序拉动又长又重的电缆在由工人触发到电缆头上的张力的期望定时。为了解决这个问题，我们提出了一种多跳无线控制系统，该系统的工作原理是在根据所施加的张力传递的指令包所设置的时间内推动电缆。本文介绍了一种多跳无线控制传感器和执行器网络的设计和采用到电缆安装系统。c2019韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：电缆敷设;无线网络;多跳通信;传感器;执行器1. 介绍用于电气设备并存在于各种类型的工厂、建筑物、工厂等中的电力和通信电缆通常沿着建筑物的天花板和墙壁铺设在电缆槽中。这些电缆可以长达1000米，非常重。安装需要一个庞大的团队工人们沿着层路线协同工作。目前的电缆安装系统试图通过动力辅助球辊而不是使用工人的人力来减少工作负荷[1，2]。对于辅助滚珠滚动，工人将电缆头插入电动卷线器之间的滚珠滚动器中，然后工人施加拉伸拉力滚动电缆。该张力由辅助球辊内的应变传感器检测，并且该应变传感器操作马达以使球辊旋转恒定时间，使得位于球之间的线缆旋转离开。这样的辅助球辊沿着轨道以规则的间隔放置，并且通过重复施加的张力来滚动然而，随着这项工作的进行，由卷筒侧上的卷绕器夹持的总线缆在抵抗施加到线缆头的张力的载荷方面增加，使得辅助球辊最终不能驱动线缆通过。此外该电子邮件地址：ma-watanabe@oita-ct.ac.jp。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2019.09.003整个电缆需要沿着通常具有多个弯曲的复杂路径滚动。这将需要在电缆顶部施加更强的张力，可能会对电缆造成损坏。如果施加的张力不再能够为了旋转球，将需要将球卷绕器中的线缆提升出来，并且除了使用大团队的人来手动移动线缆之外没有其他选择。这种手动操作降低了安装的效率。图1所示为典型的大型电缆卷筒和辅助球辊的照片。以前，已经提出了从中央控制单元监视滚动状态并控制每个辅助球辊但是，必须为电源和局域网准备同等长度的控制电缆，而且该系统需要进行高级操作培训控制单元和个体工人[3]。在长距离情况下，可以通过使用PLC（电力线通信）控制电缆来减轻电缆重量。然而，存在噪声性能和响应时间的问题[4]。图2示出了用于使用PLC的辅助球辊线缆安装系统我们建议，而不是一个多跳无线控制系统，以创建一个平稳和高效的安装，需要少量的工人。本文介绍了多跳无线传感器和执行器网络的原理及其在电缆安装系统中的应用。在该系统中，线路位置被分配给无线网络地址，2405-9595/2019韩国通信与信息科学研究所（KICS）。 出版社：Els e vierB. V. 这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。228M. Watanabe/ICT Express 5（2019）227图1.一、 电缆卷筒和辅助滚珠滚轮。图二、 助球辊PLC控制系统。通过多跳通信，允许线缆滚动通过线路指令包自适应地进行。2. 相关工作使用多跳通信的传感器网络专注于通过朝向宿侧的路由控制来避免拥塞的协议的开发[5，6]，并且还由于终端的间歇操作而提供功率节省[7，8]。此外，一般而言，当从传感器数据收集控制目标设备时，通过双向通信来执行对目标设备的状态的监视以及诸如感测（从真实世界输入）和致动（输出到真实世界）的控制指令。对于工业设备的控制（工厂自动化），由于空间和成本问题，无线通信现在比有线电缆更可取。然而，存在时间限制，并且需要理解实时特性。专门用于控制的物理层和MAC层的研究正在进行中[9，10]。使用主设备和从设备之间的下行链路均衡信息的传输均衡旨在减少上行链路中的误码并提高帧利用效率。这里，在时间约束方面，相对于真实空间输入/输出（主设备和从设备）执行一对一或一对N直接通信。此外，对于从每个线路（子）位置反馈信息的监视系统，正在研究执行固定长度等待时间和重复抑制的协议，以便使分组丢失率等于或小于指定值[11，12]。从每个子设备发送的关于位置和通道的信息经由自组织无线通信网络发送到服务器侧。网络，并且监护人访问网页以访问地图。从网页上，人们可以检查每个子单元的操作。这里，关于从真实空间（孩子等）获得的信息空间（服务器），使用多跳通信，人判断状态，并且如果需要，则采取行动。无线传感器网络在农业领域中的应用要求构建一个低成本、能够长期运行、节省功率、对动物和害虫以及环境条件具有高度抵抗性的系统。正在为此目的进行研究[13，14]，收集复杂信息，如天气条件、土壤变化和植物表面的详细图像，并使用有线LAN和无线网状网络自动调节浇水、温度和照明。这里，多跳通信在两个方向上用于收集真实空间（农场）上的传感器数据和控制真实空间（农产品的生长）[15]。从传感器数据采集到目标设备的控制指令，当时间约束相对严格时执行直接通信，而当时间约束相对宽松时应用多跳通信。本文将多跳通信应用于一条被驱动的路径（输出到现实世界），这是控制电缆安装系统。当使用多跳通信控制设备时，存在操作的确认可能变得难以实现的担忧实际上，由于目标设备物理上位于长距离，并可能遭受延迟时间，由于多-跳频通信。因此，多跳通信以顺序控制类型的形式应用于电缆安装工作，其中在确认包括延迟时间的响应并提供关于最终操作的反馈的同时执行操作。当附着在辅助球辊上的应变传感器检测到作业人员、安装在最靠近线缆前侧的辅助球辊上的无线装置通过多跳通信将信息作为线缆延伸指令包无线地传送到最靠近线缆卷筒侧的辅助球辊。交付是连续的：通过多跳通信将延长的缆索指令包从缆索卷筒侧的辅助滚珠辊传送到缆索前侧的辅助滚珠辊，以便驱动缆索。施加张力的工人然后可以确认延长电缆的最终位置和操作3. 该方法3.1. 基本原理该系统的基本原理是施加张力以拉动缆索，然后无线传输张力施加信息。此时，如果所施加的张力的信息没有直接到达目的地设备，则在配备有辅助球辊的无线设备的途中中继，以通过多跳通信到达目的地设备。图3示出了多跳无线控制线缆安装系统的操作的示意图。M. Watanabe/ICT Express 5（2019）227229+图3.第三章。电 缆 安 装 的 建议操作。3.2. 分配给无线网络的通常，在设置为通过路由控制避免拥塞的传感器网络中，无线设备的顺序号并不重要。然而，在电缆延伸应用中，重要的是在网络建立之后可以确定延伸序号。需要从一般来说，无线是未知的实际（分机号码）。图4示出了传感器网络和电缆安装之间的拓扑差异。配有无线装置的辅助滚珠滚轮定位后，在电缆加固作业完成前不移动。因此，它们处于静态布置中，并且构建了表驱动（主动）[16]无线网络。在这样的布置中，每个无线设备借助于hello分组（BC：广播）周期性地交换路由信息，并且与无线网络中的所有无线设备共享路由信息。此时，利用与所谓的MAC（媒体访问控制）地址等效的无线设备特定地址（在下文中称为“mac ID”）来构建无线网络。mac ID由DIP交换机设置，并设置为不重叠。进行电缆延伸工作的工人随机地将辅助滚珠滚轮沿着直线或弯曲线放置，而不管地址如何。对于以这种方式构造的无线网络，每个无线设备的路由表使用mac ID来指示它是否可以通过无线电波传播与另一无线设备直接通信或执行多跳通信。在电缆安装过程中，电缆从卷筒中推出并插入辅助球辊中并被驱动。无线设备订单地址需要根据从滚筒侧到电缆头排列的辅助球辊的物理顺序设置：需要“扩展ID”。图5示出了IEEE 802.14.5（/ZigBee）帧中的mac ID和扩展ID的构成。因此，在施加张力之后，无线设备立即发出hello分组，向该hello分组发送扩展见图4。 拓扑结构差异。图五、 MAC ID&扩展ID。添加与mac ID对应的ID以进行通知。该信息由配备有辅助球辊的相邻无线设备接收，并且其信息周期性地插入到hello分组中并广播到所有无线设备。结果，所有配备有辅助球辊的无线设备可以知道电缆安装操作正在进行的电缆延伸的数量。当张力被施加到辅助球辊时，当前扩展ID增加1，并立即添加到用于广播的hello数据包。因此，不需要记录和管理诸如无线设备的mac ID和扩展ID之间的映射的操作。如果无线设备#6向扩展ID的#1发送指示电缆扩展的推送分组（UC：单播），并且从#1到#2、#2到#3、#3到#4、#4到#5和#6发送指示电缆扩展的推送分组（UC：单播）。#5到#6的顺序。最后，一旦电缆指令包到达经受张力施加的无线装置，通过一次张力施加的电缆延伸工作就完成，并且通过重复该过程，电缆延伸长距离，重复诸如工厂的建筑物。上述方案如图所示。第六章图7示出了当无线设备的无线电波到达任何无线设备时与mac ID相对应的扩展ID。类似地，图7示出了无线电波到达如图1所示的无线设备中的任一个的状态。 6，路由表中的跳数为1，网关（gw）和目的地（dst）为图6所示的相同无线设备。第 七章230M. Watanabe/ICT Express 5（2019）227+−图第六章 与mac ID对应的扩展ID。图八、 路由表（#6到#1通过。#3转发）。图第七章 路由表（直接通信）。此外，例如，当在# 6和# 1之间存在无线电波障碍等时，当经由中继时，路由表中的跳数为2。#3如图所示。八、因此，来自#6的电缆指令包通过。#3作为一次性中继多跳通信。图9示出了无线电波到达下一个无线设备的状态，并且路由表中的跳数每中继到目的地就增加1，并且网关（gw）是如图9所示的下一个无线设备。第六章因此，来自#6的电缆指令包通过。#5和通过。4、通过3、通过2作为四次中继多跳通信。图10示出了操作的示例。根据工人带着电缆行走的速度，在辅助球辊之间施加张力几次，并推动电缆一点一点地延伸。包含的hello数据包将被多次广播，虽然它没有重传功能，但可以提高到达率。作为示例，假设辅助球辊之间的一个区段为35 m，这将需要大约70 dBm，即使在衰落环境下，分组到达率（PAR）也接近100%的接收信号强度指示符（RSSI）水平。每次施加张力的缆线挤出时间为2秒，并且借助于球辊的缆线延伸速度为35米/分钟。在这种情况下，每段30个hello数据包图第九章 路由表（多跳通信）。见图10。 操作示例带分机ID的邮件将被发送出去。此外，在被辅助球辊之间推动线缆的指令包具有约100 ms的延迟，并且在线缆被推出之后，下一个被辅助球辊推动线缆。如果该延迟时间太大，则电缆可能在辅助球辊之间暂时下垂，并且如果延迟时间太小，则电缆将在辅助球辊之间被拉动，并且不能执行平滑的电缆安装操作。图11示出了具有PAR RSSI的该示例的特性&， 12显示RSSI&范围。图图13示出了在施加张力的时间期间的hello包的定时和在拉丝时的包的定时的时间序列。在100 ms的电缆延长期间，即使接收到hello分组，路由信息也不会改变。M. Watanabe/ICT Express 5（2019）227231+见图11。 PAR&RSSI。见图12。 RSSI范围。图十三. 数据包序列。3.3. 多跳传输在正常的数据通信中，基于半双工通信（在发送和接收之间切换），数据以FIFO（先进先出）配置顺序发送，并且根据载波侦听状态在接收缓冲器中捕获数据。因此，不能保证在接收到下一个数据（n-1）之前可靠地发送前一个数据（n）。 图图14示出了使用FIFO的数据传输机制。因此，当使用这种正常的数据通信方法执行电缆延长操作时，当操作员向电缆头施加张力并且无线电波传播状态差或业务负载高时推送的指令包。可以临时存储在设备的存储器中电缆延伸不会立即启动。当电缆运营商重新施加电缆头张力时，无线电波传播情况得到改善，业务负载减少，存储在存储器中的多个推送数据包立即输出，并且电缆延伸立即延伸。此时，松弛的线缆立即被辅助球辊拉动。因此，当使用正常数据通信方法执行电缆延长工作时，需要确认根据先前命令的工作已经完成，然后通过接收新的推送分组来工作操作员很难记住电缆张紧的次数和电缆被推到伸长的次数。还需要考虑相对于接收缓冲器的极限容量的累积推送分组的数量以及取决于区段的丢失推送分组的数量辅助球辊。为了便于操作人员理解，如果电缆没有延伸到在对电缆头施加张力一次之后的固定时间，根据诸如无线电波传播和交通的条件，可能产生多个延长线。系统在辅助球辊的任何部分重新传输（包括超时），确定推包丢失，再次向电缆施加张力，并等待电缆延长。因此，对于要扩展的一个推送分组，直到相应的电缆扩展完成大约100 ms才接收到下一个推送分组。图15示出了没有FIFO的数据传输机制。具体地，在线缆延伸未完成的时间内，下一个推流包应该超时，而不回复ACK的响应，重传一定的次数。而且，在多跳传送的情况下，扩展分配信息的无线传输可以仅建立到特定部分。在这种情况下，执行重传，并且在具有相同序列号的推送分组的情况下，即使接收到信号，已经成功的部分也防止执行电缆扩展操作。对于不成功的区段，在通过重新发送建立无线传输之后执行电缆延长操作。对于这种多跳传输，尝试一定数量的重传。考虑QoE（体验质量）来设计重传次数的设置。这是电缆延长之前的延迟时间与操作员正在处理的等待时间3.4. 自动确认控制多跳无线设备使用DATA/ACK方法，该方法使得能够基于物理层在短时间内进行发送和接收握手，而不控制网络层上下。由于ACK有一个相对较长的响应时间，由于载波侦听和回退过程时，它是从一个数据帧生成，自动ACK（BC：广播）与快速响应被使用。然而，如果自动ACK在无线电波传播方面是好的并且FCS（帧校验序列）是OK，则即使电缆中断，232M. Watanabe/ICT Express 5（2019）227−−−−−−−图十六岁工 厂 内无线设备的布局。图14个。F I F O 数据传输机制。图15个。无 F I F O 的 数据传输机制。通过前一个推送分组的扩展没有完成。如上所述，由于不存在FIFO对DATA的存储，因此将存在这样的问题，即尽管发出自动ACK，但是丢弃相应的推送分组因此，自动ACK模式在前一个推送分组还没有被传送的时间期间被停止。当自动ACK帧从传输目的地到达时，设置再次切换到自动ACK模式[17]。4. 实验结果与思考通过将使用基于IEEE 802.15.4（/ZigBee）[17]的CC2520（由TI制造）无线芯片[18]连接的五个无线设备放置在工厂现场来进行实验。 选择这款无线设备的原因是可以实现原有的无线通信协议，而且当时的购买可用性是最好的，可以通过其他无线设备实现。图 16显示了工厂的布局。带有扩展ID # 1和# 2的无线设备安装在夹层电缆架上，# 3、# 4和# 5安装在仓库下层。图10示出了在该布置情况下的hello分组的接收信号强度。有上下两侧向的建筑物，存在墙和柱，有库房随动工人和起重机，而#1到#2接收相对强的信号强度。假设多跳通信的阈值为90 dBm，略高于数据表中的最小接收灵敏度（95 dBm），则对于#1和#2以外的部分估计多跳通信。在中继终端的下一跳选择中，以到目标终端的较少跳数选择具有最高接收信号强度的终端。在这一点上，它被设计为如果没有终端具有超过阈值的值，则尝试直接通信（包括重传）。原因是多跳候选的中继终端或目标终端可能在重传时段期间被识别。如果终端连续3次没有接收到hello报文，则确定其已经离开。反之，如果终端连续3次收到hello在载波侦听期间读取的RSSI值在8个符号间隔上取平均值。平均和滞后设置保持路径稳定并快速更新。图17显示了实验结果。根据实验结果，当对ID # 5分机施加10个张力时，在多跳通信中，大多数中继终端的接收信号强度超过90 dBm。在第三次（#3-#4接力#5-#4）和第五次（#4-#5）中，中继终端的接收信号强度为91dBm。这似乎是因为根据来自Hello分组的接收信号强度信息，不存在超过91dBm的中继终端候选。因此，这表明当接收信号强度波动时，中继终端的下一跳的选择可能改变多跳阈值水平下的电缆扩展顺序：90 dBm。通过对电缆头#5施加10次图图18示出了使用实验中使用的IEEE 802.15.4/ZigBee帧的发送和接收中的握手时间， 19和20示出了根据退避时间的吞吐量和握手发生时间。对于计算，回退中的CW值为31到1023，时隙时间为16 µs/CW。数据帧的最大长度MAC帧的最大长度为133字节，MAC帧的最大长度为127字节，有效载荷部分为109字节。 根据图 19，根据退避时间的吞吐量与握手期间的退避时间存在大约3倍的差异M. Watanabe/ICT Express 5（2019）227233图20. DA T A /ACK双向握手的传输时间。图17. 实验结果。图18. DATA/ACK双向握手。图19. DATA/ACK双向握手的延迟。时间约占该比例的3/4，极大地影响回退时间。图20示出了DATA/ACK双向握手。DATA/ACK握手的通信时间约为对于CWmin = 100个时隙，约为7ms，对于CWmax = 1023个时隙，约为22ms，并且中心值（平均值）约为最大值的一半。图17，如果每次多跳通信的推送分组（UC：单播）的数量是8跳，则总通信时间是没有重试的握手时间的8倍。在该实验中，不进行载波侦听而广播推送分组的自动ACK分组，因此由于与侦听载波的hello分组的冲突而导致的推送分组的重传仅为1/10（一个位置）。从接收到推送包到开始线缆延伸工作并将推送包发送到下一个装置的延迟时间为每个辅助球辊100毫秒。因此，该延迟时间在整个电缆延伸时间上占主导地位。5. 结论通过将无线多跳通信应用于用于电缆安装的辅助球辊的控制，使电缆顺利延伸成为可能。该方法允许由两个人执行工作，一个在卷筒侧，一个在电缆前侧。结果，工作效率得到了显著提高。典型地，无线设备的实际位置和无线网络的电缆安装序列ID通过hello分组被顺序地通知，并且与无线设备唯一的mac ID相关联。无FIFO的顺序控制和自动ACK开/关切换控制。设计并制作了一套多跳无线控制电缆安装系统，并在工厂现场进行了实验，实现了电缆的延伸工作竞合利益作者声明，本文中不存在利益冲突。致谢研究和开发由作者在三菱电机公司先进技术研究和开发实验室进行。该电缆安装系统已投入实际使用，并已在工厂施工现场使用，在那里它已经实现了减少工时。作者要感谢所有参与实际应用的人。引用[1] 陈文，张文，张文，等.发电厂的最新技术改造.电力工程学报，2002（1）：13 - 14.[2] 张文，张文忠，等，电缆延长线辅助机的介绍，2005年11月-12月技术报告第305卷第6期，第78-81页。[3] Ken Shindoi，Ryoichi Naka，Toru Kafuku，Yoshitaro Haruna，用于辅助球辊的控制系统的开发，在：日本电气工程师协会大会，2009年，pp. 4207234M. 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