無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) -基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān) 測技術(shù) 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù) 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 功能需求 設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示 狀態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析 特征值 頻譜分析 精密分析 狀態(tài)預(yù)測 設(shè)備故障診斷 智能自助診斷 專家會(huì)診 案例學(xué)習(xí) 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 三層體系結(jié)構(gòu) 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 現(xiàn)場級(jí) 現(xiàn)場級(jí)系統(tǒng)是直接與企業(yè)的運(yùn)行設(shè)備交互的系統(tǒng) 其主要功能是負(fù)責(zé)將運(yùn)行設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息收集到系統(tǒng)中來 一種是在線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過傳感器、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡，將設(shè)備的信號(hào)讀入系統(tǒng) 另一種是將離線的數(shù)據(jù)，如點(diǎn)檢的數(shù)據(jù)

2、和離線設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等，讀入系統(tǒng) 一個(gè)企業(yè)級(jí)系統(tǒng)中可以存在多個(gè)現(xiàn)場級(jí)系統(tǒng)，它們也是相互獨(dú)立的、自行工作的。 現(xiàn)場級(jí)系統(tǒng)可以是已有的采集系統(tǒng)，也可以是全新開發(fā)的采集系統(tǒng)；可以是基于DOS的簡單采集系統(tǒng)， 也可以是基于Linux的嵌入式系統(tǒng) 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 企業(yè)級(jí)系統(tǒng) 每個(gè)企業(yè)級(jí)系統(tǒng)都是一個(gè)完整的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，為本企業(yè)用戶提供基于本地的診斷服務(wù) 企業(yè)級(jí)本身具有很強(qiáng)的在線、離線監(jiān)測和故障診斷能力，它將企業(yè)在線或者離線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過 有關(guān)信息的提取之后，提交到遠(yuǎn)程診斷中心，同時(shí)也可以向遠(yuǎn)程診斷中心提交企業(yè)的診斷案例 企業(yè)級(jí)系統(tǒng)可以向遠(yuǎn)程診斷中心提供支持，同時(shí)享受遠(yuǎn)程中心的各種高級(jí)服務(wù) 狀

3、態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 遠(yuǎn)程診斷中心 遠(yuǎn)程診斷中心將各個(gè)企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的互訪和資源共享 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家對(duì)企業(yè)大型設(shè)備的交互式診斷以及網(wǎng)上專家會(huì)診，并且遠(yuǎn)程專家可以隨時(shí)跟蹤監(jiān)測設(shè)備 的運(yùn)行狀況，以便第一時(shí)間給出診斷和預(yù)測 遠(yuǎn)程診斷中心將各企業(yè)的診斷數(shù)據(jù)和診斷方法匯總、抽象，提煉出更普遍適用的診斷方法和診斷規(guī)則， 形成具有普遍意義的典型故障案例 遠(yuǎn)程診斷中心還將診斷專家的診斷方法和診斷思路精煉、重組，形成中心的智能專家診斷庫 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 發(fā)展趨勢 基于Internet/Intranet的遠(yuǎn)程訪問(Web服務(wù)) 嵌入式數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)功能可以動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展(組態(tài)) 新的信號(hào)分析與處

4、理方法 新的故障診斷方法 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)應(yīng)用 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn) 有線連接 有源供電 存在的主要困難 對(duì)于移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)設(shè)備，應(yīng)用受限 對(duì)于分布區(qū)域廣的監(jiān)測對(duì)象，布線復(fù)雜、成本增加、可擴(kuò)展性差，可維護(hù)性差 信號(hào)長距離傳輸常會(huì)引入噪聲干擾，可靠性降低 高溫、高危等環(huán)境中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和線路的維護(hù) 臨時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是采用無線通信的方式將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)形成 一個(gè)多跳的、自組織的

5、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。 無線通信傳輸 可靠性高 自組織 維護(hù)方便 擴(kuò)展性好 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測 無線通信 可以從根本上解決距離、環(huán)境、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等因素導(dǎo)致的不易或無法 布線問題。 通信鏈路良好的冗余性和魯棒性 避免了由于某個(gè)單點(diǎn)環(huán)節(jié)的破壞而造成對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的影響，可以 有效提高監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可擴(kuò)展性。 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)集傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)通信 模塊于一體。 可以通過各節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同工作形成智能化、集成化的測控網(wǎng)絡(luò) 利用數(shù)據(jù)融合的方法實(shí)現(xiàn)多因素和自主式的動(dòng)態(tài)警示體系。 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)成本低、體積小，易于安裝和維護(hù) 可以適用于多種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 綜述 無線傳感

6、器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)及支撐技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用案例 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network , WSN)的基本概念 WSN與Ad Hoc的區(qū)別 WSN特點(diǎn) WSN面臨的挑戰(zhàn) WSN的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢 WSN的基本概念 WSN與Ad Hoc的區(qū)別 WSN 傳感器：強(qiáng)調(diào)監(jiān)測與控制的應(yīng)用 對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求低(計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、供電方式等) 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模大 自組織網(wǎng)絡(luò) Ad Hoc (Mobile Ad-Hoc Network) 只強(qiáng)調(diào)移動(dòng)通訊 節(jié)點(diǎn)成本高 節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間形成對(duì)等網(wǎng)絡(luò) WSN的特點(diǎn) l大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) l自組織網(wǎng)絡(luò) l動(dòng)態(tài)性

7、網(wǎng)絡(luò) l可靠性網(wǎng)絡(luò) l應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) l以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 大規(guī)模性包含兩個(gè)方面： 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域廣 在一個(gè)區(qū)域不大的空間內(nèi)密集 部署大量節(jié)點(diǎn) 能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通 過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自 動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無 線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效 無線通信鏈路帶寬變化 傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀 察者之間的移動(dòng) 新節(jié)點(diǎn)的加入 由于監(jiān)測區(qū)域或環(huán)境的限制，不 可能人工維護(hù)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)， 就要求無線傳感器具有魯棒性和 容錯(cuò)性。 不同的應(yīng)用背景對(duì)無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟 件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會(huì)有很大 差別。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)。 用戶使用傳感器網(wǎng)

8、絡(luò)查詢事件時(shí)， 關(guān)心的事件本身，而不是節(jié)點(diǎn)。 WSN的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，主要的關(guān)鍵技術(shù)有： 無線通信技術(shù) 嵌入式操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)管理 網(wǎng)絡(luò)安全 時(shí)間同步 定位技術(shù) WSN硬件節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和趨勢 超低功耗、微型化、低成本等 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)圖 WSN現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)對(duì)比 WSN軟件體系結(jié)構(gòu)及支撐技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如下圖所示 物理層提供簡單但 健壯的信號(hào)調(diào)制和 無線收發(fā)技術(shù) 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé) 數(shù)據(jù)成幀、幀檢 測、媒體訪問和 差錯(cuò)控制 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé) 路由生成和 路由選擇 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù) 據(jù)流的傳輸控 制，是保證通 信服務(wù)質(zhì)量的 重要部分 應(yīng)用

9、層包括一系 列基于監(jiān)測任務(wù) 的應(yīng)用層軟件 WSNWSN體系結(jié)構(gòu)- -物理層 物理層的功能： 為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(data terminal equipment, DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。 傳輸數(shù)據(jù):物理層要形成適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)體，用來提供數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù) 完成一定的管理工作，例如信道評(píng)估、能量檢測、收發(fā)器管理、物理層屬性管理等工作。 物理層主要技術(shù) 介質(zhì)及頻段選擇 調(diào)制技術(shù) 擴(kuò)頻技術(shù) WSNWSN體系結(jié)構(gòu)- -物理層 需要解決的問題 l能量問題 n能耗 n能量來源 l成本問題 (1)WSN節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)的工作能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待機(jī)能 耗，如何減小工作能耗是WSN物理層設(shè)計(jì)需要 解決的主要問題之一。 (2)收

10、發(fā)機(jī)工作電流取決與符號(hào)率，而不取決 于數(shù)據(jù)傳輸速率。WSN物理層能耗的優(yōu)化面臨 著降低符號(hào)率和提高數(shù)據(jù)傳輸速率的矛盾。 (1)如何根據(jù)WSN的工作特點(diǎn)選擇合適的電池是 一個(gè)研究重點(diǎn)。 (2)研究從周圍環(huán)境取得能量并將其轉(zhuǎn)換成電能 引起廣泛關(guān)注。例如振動(dòng)和應(yīng)變形式的光能、 熱能和機(jī)械能，以及太陽能等。 如何將WSN節(jié)點(diǎn)中的傳感器模塊、處理模塊、通 信模塊和電源模塊進(jìn)行有效集成，降低節(jié)點(diǎn)成 本，是WSN的研究的重點(diǎn)問題。 數(shù)字電路使用印刷電路板，體積較小，成本較 低，是節(jié)點(diǎn)高度集成必須考慮的問題。 實(shí)現(xiàn)低成本要求采用簡單的調(diào)制、解調(diào)和擴(kuò)頻 算法，盡量降低所設(shè)計(jì)的協(xié)議、算法的復(fù)雜度， 從而降低對(duì)硬件

11、的要求。 WSNWSN體系結(jié)構(gòu)- -物理層 研究現(xiàn)狀 介質(zhì)和頻段選擇 調(diào)制和擴(kuò)頻機(jī)制 休眠機(jī)制 挑戰(zhàn)與機(jī)遇 信號(hào)傳播質(zhì)量保障機(jī)制 節(jié)能機(jī)制 小型化、低成本、低功耗節(jié)點(diǎn)的SOC實(shí)現(xiàn)及節(jié)能為目標(biāo)的硬件管理策略 WSN體系結(jié)構(gòu)- -數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層最重要的任務(wù)是對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信進(jìn)行管理，形成高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。 主要任務(wù)包括: 組幀 將用戶數(shù)據(jù)構(gòu)成分組(Packet)或幀(Frame)。 差錯(cuò)控制 用于改進(jìn)鏈路傳輸?shù)目煽啃裕潢P(guān)鍵問題是協(xié)調(diào)不斷增長的可靠性要求與信道差錯(cuò)率之間的關(guān)系。 流量控制 鏈路管理 鏈路管理機(jī)制包括發(fā)現(xiàn)、設(shè)置并拆除相鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路問題。 WSN體系結(jié)構(gòu)- -MAC協(xié)

12、議 MAC協(xié)議的分類： 根據(jù)無線信道是采用固定分配還是隨機(jī)訪問將MAC協(xié)議分為三類 采用無線信道的時(shí)分復(fù)用方式(time division multiple access, TDMA),給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配 固定的無線信道使用時(shí)段，從而避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾。 采用無線信道的隨機(jī)競爭方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，重點(diǎn)考慮減少節(jié)點(diǎn)間 的干擾。 其他MAC協(xié)議，如通過采用頻分復(fù)用或碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道的分配。 WSN體系結(jié)構(gòu)- -路由協(xié)議 路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn) 包括尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑、將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確的轉(zhuǎn)發(fā)

13、兩個(gè)功能 WSN路由協(xié)議的特點(diǎn)： n能量優(yōu)先 n基于局部拓?fù)湫畔?n以數(shù)據(jù)為中心 n應(yīng)用相關(guān) WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)要求： n能量高效 n可擴(kuò)展性 n魯棒性 n快速收斂性 WSN體系結(jié)構(gòu)- -定位技術(shù) 目的： 傳感器節(jié)點(diǎn)自身的正確定位是提供監(jiān)測事件位置信息的前提，同時(shí)也為基于地理位置信息的路由協(xié)議 提供信息支持。 傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的特點(diǎn)： 自組織性 健壯性 能量高效 分布式計(jì)算 WSN體系結(jié)構(gòu)- -定位技術(shù) 基本計(jì)算方法： 三邊測量法 三角測量法 極大似然估計(jì)法 定位算法分類： 基于距離的定位算法和距離無關(guān)的定位算法 遞增式的定位算法和并發(fā)式的定位算法 基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法和無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算

14、法 WSN體系結(jié)構(gòu)- -數(shù)據(jù)融合 問題的提出 在收集信息的過程中采用各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的方法，不僅浪費(fèi)通信帶寬和能量，而且 降低信息收集的效率。 數(shù)據(jù)融合 將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。 數(shù)據(jù)融合的作用 節(jié)省能量 獲得更準(zhǔn)確的信息 提高數(shù)據(jù)收集效率 WSN體系結(jié)構(gòu)- -數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)融合的分類 根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量劃分 無損失融合 有損失融合 根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義之間的關(guān)系劃分 依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合 獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合 結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合 根據(jù)數(shù)據(jù)融合操作的級(jí)別劃分 數(shù)據(jù)級(jí)融合 特征融合 決策級(jí)融合 WSN體系結(jié)構(gòu)- -

15、操作系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的劃分 基于AVR架構(gòu)的研究傾向于普適計(jì)算的小型化方向,重點(diǎn)是支持無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的具有多跳網(wǎng)絡(luò)通信功 能的微型操作系統(tǒng)及其整體解決方案的研究;例如UCLA的Medusa MK22 和UC Berkeley的TinyOS 基于StrongARM架構(gòu)的研究則傾向于普適計(jì)算的中型實(shí)用化方向,該平臺(tái)更接近于現(xiàn)有的PC架構(gòu),能夠 得到當(dāng)前主要操作系統(tǒng)(如Linux,Windows CE)和應(yīng)用軟件的支持,因而研究重點(diǎn)是軟件功能的完善。 例如RockwellW INS,M IT的AMPS WSN體系結(jié)構(gòu)- -應(yīng)用介紹 l軍事應(yīng)用 l基礎(chǔ)設(shè)施安全 l環(huán)境監(jiān)測 l工業(yè)應(yīng)用 l智

16、能交通控制 l地震監(jiān)測 l生命科學(xué) Precision Agriculture, Water quality management A thin arch dam - Switzerland Golden Gate Bridge San Francisco WSN體系結(jié)構(gòu)- -應(yīng)用介紹 鞍鋼冷軋廠連退爐輥軸承溫度監(jiān)測 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù) 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 企業(yè)級(jí)系統(tǒng) 每個(gè)企業(yè)級(jí)系統(tǒng)都是一個(gè)完整的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，為本企業(yè)用戶提供基于本地的診斷服務(wù) 企業(yè)級(jí)本身具有很強(qiáng)的在線、離線監(jiān)測和故障診斷能力，它將企業(yè)在線或者離線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過 有關(guān)信息的提取之后，提交到遠(yuǎn)程診斷中心，同時(shí)也可以向遠(yuǎn)程診斷中心提交企業(yè)的診斷案例 企業(yè)級(jí)系統(tǒng)可以向遠(yuǎn)程診斷中心提供支持，同時(shí)享受遠(yuǎn)程中心的各種高級(jí)服務(wù) 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù) WSNWSN體系結(jié)構(gòu)- -物理層 物理層的功能： 為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(data terminal equipment, DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。 傳輸數(shù)據(jù):物理層要形成適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)體，用來提供數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù) 完成一定