CN108897280A - 基于物联网技术的数控机床监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于物联网技术的数控机床监测系统，该系统包括用于采集数控机床状态数据的数控机床监测子系统、用于存储数控机床状态数据的物联网服务器和用于显示所述数控机床状态数据的显示设备；所述数控机床监测子系统、显示设备皆与所述物联网服务器连接。

Description

基于物联网技术的数控机床监测系统

技术领域

本发明涉及数控机床监测技术领域，具体涉及基于物联网技术的数控机床监测系统。

背景技术

随着工业的发展，使得人们对数控机床的使用需求越来越高。但是相对的数控机床成本也比较高，而随着数控机床的增多，其使用效率、运行状态监测、故障预判、资源配置等方面都受到了极大的挑战，现有的数控机床监测一般是基于人工记录的采集数据对数控机床进行分析和监测，当多个用户需要了解不同数控机床的状态信息时，其实时性不能满足多方企业的快速发展需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于物联网技术的数控机床监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于物联网技术的数控机床监测系统，该系统包括用于采集数控机床状态数据的数控机床监测子系统、用于存储数控机床状态数据的物联网服务器和用于显示所述数控机床状态数据的显示设备；所述数控机床监测子系统、显示设备皆与所述物联网服务器连接。

优选地，所述数控机床监测子系统包括汇聚节点和多个用于采集数控机床状态数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中多个汇聚节点部署于设定的监测区域边缘，多个传感器节点部署于该监测区域内；初始时，所述多个传感器节点根据预定的成簇规则完成分簇并选取簇头；在路径发现阶段，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的各汇聚节点的最优路径，并根据寻找到的最优路径建立自身到与该最优路径对应的汇聚节点的链路；在数据传输阶段，传感器节点将采集的数控机床状态数据发送至对应的簇头，簇头在所能通向的各汇聚节点中选择一个汇聚节点作为目的节点，将数控机床状态数据通过对应的最优路径发送至目的节点。

优选地，所述传感器节点包括设置于数控机床上的传感器和用于将传感器信号转换为对应的数控机床状态数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。

其中，所述显示设备包括LED显示屏、LCD显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

其中，传感器包括温度传感器、振动传感器、液位传感器、位移传感器、电流传感器、霍尔传感器中的任意一种或任意几种。

本发明的有益效果为：本发明使用户能够及时了解数控机床的状态信息，从而根据数控机床的状态信息进行合适的选择或处理，提高数控机床的使用率，满足人们实时了解数控机床的状态信息的需求，便于用户对可能发生故障的数控机床及时进行检查，减少因数控机床故障所造成的损失。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的数控机床智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的传感器节点的结构示意框图。

附图标记：

数控机床监测子系统1、物联网服务器2、显示设备3、传感器10、信号适配器20、控制器30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了基于物联网技术的数控机床监测系统，该系统包括用于采集数控机床状态数据的数控机床监测子系统1、用于存储数控机床状态数据的物联网服务器2和用于显示所述数控机床状态数据的显示设备3；所述数控机床监测子系统1、显示设备3皆与所述物联网服务器2连接。

在一个实施例中，所述数控机床监测子系统1包括汇聚节点和多个用于采集数控机床状态数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中多个汇聚节点部署于设定的监测区域边缘，多个传感器节点部署于该监测区域内；初始时，所述多个传感器节点根据预定的成簇规则完成分簇并选取簇头；在路径发现阶段，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的各汇聚节点的最优路径，并根据寻找到的最优路径建立自身到与该最优路径对应的汇聚节点的链路；在数据传输阶段，传感器节点将采集的数控机床状态数据发送至对应的簇头，簇头在所能通向的各汇聚节点中选择一个汇聚节点作为目的节点，将数控机床状态数据通过对应的最优路径发送至目的节点。

其中，如图2所示，所述传感器节点包括设置于数控机床上的传感器10和用于将传感器10的信号转换为对应的数控机床状态数据的信号适配器20，所述信号适配器20与传感器10连接；还包括用于控制采集频率的控制器30，所述控制器30与传感器10连接。其中，传感器10包括温度传感器、振动传感器、液位传感器、位移传感器、电流传感器、霍尔传感器中的任意一种或任意几种。

其中，所述显示设备3包括LED显示屏、LCD显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

本发明上述实施例设计的数控机床智能监测系统使用户能够及时了解数控机床的状态信息，从而根据数控机床的状态信息进行合适的选择或处理，提高数控机床的使用率，满足人们实时了解数控机床的状态信息的需求，便于用户对可能发生故障的数控机床及时进行检查，减少因数控机床故障所造成的损失。

在一种实施方式中，簇头选择链路总开销最小的最优路径发送数控机床状态数据，从而将数控机床状态数据发送至与该最优路径对应的目的节点。

本实施例的无线传感器网络为多汇聚节点架构，通过部署多个汇聚节点，能够提高无线传感器网络的稳定性和鲁棒性，使传感器节点的能耗更为均衡，延长无线传感器网络的生命期。

在一个实施例中，所述预定的成簇规则，包括：

(1)采用虚拟正六边形网格将设定的监测区域划分为N个子区间，单个子区间内的所有传感器节点构成一个簇；

(2)对于每个子区间，子区间内的所有传感器节点构建链路，链路上权值最大的传感器节点成为所在子区间的簇头；其中权值的计算公式为：

式中，Q_i表示传感器节点i的权值，E_i为传感器节点i的当前剩余能量，E_min为设定的最小能量值，为传感器节点i到第j个汇聚节点的距离，n为汇聚节点个数。

本实施例提出了一种简单便捷的成簇规则，在簇建立阶段，首先进行虚拟正六边形网格划分，对每个划分的子区间，选取权值最大的传感器节点作为该子区间对应簇的簇头，并基于能量和距离因素具体设置了权值的计算公式。本实施例能够有效平衡簇内能耗，且有利于节省后续簇头向所能通向的各汇聚节点传输数控机床状态数据的能耗。

在一个实施例中，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的每个汇聚节点的最优路径，具体包括：

(1)簇头c₀定期产生一定数量的前向蚂蚁报文，随机选择通信范围内的另一个簇头进行转发，并启动第一超时时钟，所述前向蚂蚁报文携带有簇头c₀的节点标识；

(2)当前向蚂蚁报文δ到达簇头c₁时，簇头c₁在其通信范围内概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ：

式中，P_a表示簇头c₁在其通信范围内选择第a个簇头来转发前向蚂蚁报文δ的概率，表示簇头c₁与所述第a个簇头的链路上的信息素浓度，E_a0为所述第a个簇头的初始能量，E_a为所述第a个簇头的当前剩余能量，为簇头c₁与所述第a个簇头之间的距离；为簇头c₁通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头数量，表示簇头c₁与其通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的第b个簇头的链路上的信息素浓度，E_b0为所述第b个簇头的初始能量，E_b为所述第b个簇头的当前剩余能量，为簇头c₁与所述第b个簇头之间的距离；λ₁、λ₂、λ₃皆为设定的权重系数；

(3)若簇头c₁已选择簇头c₂转发前向蚂蚁报文δ，则将自身的节点标识加入前向蚂蚁报文δ的地址链表，按照下列公式更新前向蚂蚁报文δ中记录的当前链路总开销，并将前向蚂蚁报文δ发送给簇头c₂：

式中，S_t表示更新后的链路总开销，S_t-1表示更新前的链路总开销，初始时链路总开销为0，S为设定的单位距离链路开销值；为簇头c₁与簇头c₂之间的距离；

(4)按照(2)、(3)继续转发前向蚂蚁报文δ，直至将其发送到任意一个汇聚节点；

(5)汇聚节点O_j收到簇头c₀产生的前向蚂蚁报文δ时启动第二超时时钟，对于在第二超时时钟超时前收到的多个簇头c₀产生的前向蚂蚁报文，汇聚节点9_j选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，其中后向蚂蚁报文携带有标准前向蚂蚁报文的地址链表、汇聚节点O_j标识、链路总开销；

(6)当簇头c₃收到簇头c₄发送的后向蚂蚁报文时，提取簇头c₄的节点标识以及汇聚节点9_j标识，并保存在本地，簇头c₃更新自身至簇头c₄的链路的信息素浓度；

(7)当前簇头按照后向蚂蚁报文的地址链表指示的信息继续转发后向蚂蚁报文，直至后向蚂蚁报文到达簇头c₀；

(8)簇头c₀对在第一超时时钟超时之前收到的后向蚂蚁报文，按照(6)提取、更新相应的信息，从而得到与收到的后向蚂蚁报文数量相同的到不同汇聚节点的路径；其中簇头c₀收到一个后向蚂蚁报文，表示有一条通向该后向蚂蚁报文所记录的汇聚节点的路径。

本实施例中，各簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的汇聚节点的最优路径，当簇头到一个汇聚节点拥有多条路径时，由汇聚节点选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，从而使得对于通向同一个汇聚节点的多条路径，始终能够选择总链路开销最小的路径作为通向该汇聚节点的最优路径，有利于延长无线传感器网络的生命周期。本实施例进一步改进了概率选择公式，能够更加优化下一跳簇头的选择，从而有利于提高所寻找路径的稳定性，缩短路径长度。

在一个实施例中，信息素浓度的更新公式为：

式中，T(c₃,c₄)′表示更新后的簇头c₃,c₄之间链路上的信息素浓度，T(c₃,c₄)为更新前的簇头c₃,c₄之间链路上的信息素浓度，ρ为信息素的挥发度；为将标准前向蚂蚁报文从始发的簇头发送至汇聚节点9_j总的跳数；ΔT为预设常量，表示一次更新中所释放的信息素的总量。

本实施例进一步改进了信息素浓度更新公式，使得在每次信息素更新的过程中，每条链路所增加的信息素浓度由路径的跳数决定，使得跳数较少的路径的各链路增加的信息素浓度更多，有利于使得簇头在初始阶段便可沿着相对较优的路径转发蚂蚁报文。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.基于物联网技术的数控机床监测系统，其特征是，包括用于采集数控机床状态数据的数控机床监测子系统、用于存储数控机床状态数据的物联网服务器和用于显示所述数控机床状态数据的显示设备；所述数控机床监测子系统、显示设备皆与所述物联网服务器连接；所述数控机床监测子系统包括汇聚节点和多个用于采集数控机床状态数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中多个汇聚节点部署于设定的监测区域边缘，多个传感器节点部署于该监测区域内；初始时，所述多个传感器节点根据预定的成簇规则完成分簇并选取簇头；在路径发现阶段，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的各汇聚节点的最优路径，并根据寻找到的最优路径建立自身到与该最优路径对应的汇聚节点的链路；在数据传输阶段，传感器节点将采集的数控机床状态数据发送至对应的簇头，簇头在所能通向的各汇聚节点中选择一个汇聚节点作为目的节点，将数控机床状态数据通过对应的最优路径发送至目的节点。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的数控机床监测系统，其特征是，所述传感器节点包括设置于数控机床上的传感器和用于将传感器信号转换为对应的数控机床状态数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。

3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的数控机床监测系统，其特征是，所述显示设备包括LED显示屏、LCD显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

4.根据权利要求2所述的基于物联网技术的数控机床监测系统，其特征是，传感器包括温度传感器、振动传感器、液位传感器、位移传感器、电流传感器、霍尔传感器中的任意一种或任意几种。

5.根据权利要求1所述的基于物联网技术的数控机床监测系统，其特征是，所述预定的成簇规则，包括：

(1)采用虚拟正六边形网格将设定的监测区域划分为N个子区间，单个子区间内的所有传感器节点构成一个簇；

(2)对于每个子区间，子区间内的所有传感器节点构建链路，链路上权值最大的传感器节点成为所在子区间的簇头；其中权值的计算公式为：

式中，Q_i表示传感器节点i的权值，E_i为传感器节点i的当前剩余能量，E_min为设定的最小能量值，为传感器节点i到第j个汇聚节点的距离，n为汇聚节点个数。

6.根据权利要求1所述的基于物联网技术的数控机床监测系统，其特征是，簇头选择链路总开销最小的最优路径发送数控机床状态数据，从而将数控机床状态数据发送至与该最优路径对应的目的节点。