無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)第1頁(yè)/共34頁(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)第2頁(yè)/共34頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備故障診斷智能自助診斷專家會(huì)診案例學(xué)習(xí)第3頁(yè)/共34頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)第4頁(yè)/共34頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)一種是在線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)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)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(chǎng)級(jí)系統(tǒng)，它們也是相互獨(dú)立的、自行工作的。現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單采集系統(tǒng)，也可以是基于Linux的嵌入式系統(tǒng)第5頁(yè)/共34頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)和故障診斷能力，它將企業(yè)在線或者離線監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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)第6頁(yè)/共34頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，以便第一時(shí)間給出診斷和預(yù)測(cè)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(kù)第7頁(yè)/共34頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)基于Internet/Intranet的遠(yuǎn)程訪問(wèn)(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)分析與處理方法新的故障診斷方法基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)應(yīng)用第8頁(yè)/共34頁(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)第9頁(yè)/共34頁(yè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)節(jié)點(diǎn)和線路的維護(hù)臨時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。第10頁(yè)/共34頁(yè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是采用無(wú)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、自組織的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線通信傳輸可靠性高自組織維護(hù)方便擴(kuò)展性好第11頁(yè)/共34頁(yè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)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(wú)法布線問(wèn)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(cè)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?？梢酝ㄟ^(guò)各節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同工作形成智能化、集成化的測(cè)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(cè)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。第12頁(yè)/共34頁(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)及支撐技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用案例第13頁(yè)/共34頁(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork,WSN)的基本概念WSN與AdHoc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(shì)第14頁(yè)/共34頁(yè)WSN的基本概念WSN與AdHoc的區(qū)別WSN傳感器：強(qiáng)調(diào)監(jiān)測(cè)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)AdHoc(MobileAd-HocNetwork)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)第15頁(yè)/共34頁(yè)WSN的特點(diǎn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)可靠性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)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：①傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域廣②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(guò)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(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。①傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效②無(wú)線通信鏈路帶寬變化③傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀察者之間的移動(dòng)④新節(jié)點(diǎn)的加入由于監(jiān)測(cè)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(wú)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(wú)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(wú)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)絡(luò)查詢事件時(shí)，關(guān)心的事件本身，而不是節(jié)點(diǎn)。第16頁(yè)/共34頁(yè)WSN的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)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(wú)線通信技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭W(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)第17頁(yè)/共34頁(yè)WSN硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和趨勢(shì)超低功耗、微型化、低成本等節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)圖第18頁(yè)/共34頁(yè)WSN現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)對(duì)比第19頁(yè)/共34頁(yè)WSN軟件體系結(jié)構(gòu)及支撐技術(shù)無(wú)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(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)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(cè)、媒體訪問(wèn)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)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件第20頁(yè)/共34頁(yè)WSN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(dataterminalequipment,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(lái)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(cè)、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)第21頁(yè)/共34頁(yè)WSN體系結(jié)構(gòu)-物理層需要解決的問(wèn)題能量問(wèn)題能耗能量來(lái)源

成本問(wèn)題集成化問(wèn)題數(shù)字化問(wèn)題協(xié)議簡(jiǎn)單化問(wèn)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(wèn)題之一。(2)收發(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(yáng)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(wèn)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(wèn)題。實(shí)現(xiàn)低成本要求采用簡(jiǎn)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)硬件的要求。第22頁(yè)/共34頁(yè)WSN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)的硬件管理策略第23頁(yè)/共34頁(yè)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(wèn)題是協(xié)調(diào)不斷增長(zhǎng)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(wèn)題。第24頁(yè)/共34頁(yè)WSN體系結(jié)構(gòu)-MAC協(xié)議MAC協(xié)議的分類：根據(jù)無(wú)線信道是采用固定分配還是隨機(jī)訪問(wèn)將MAC協(xié)議分為三類采用無(wú)線信道的時(shí)分復(fù)用方式(timedivisionmultipleaccess,TDMA),給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無(wú)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(wú)線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無(wú)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(guò)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(wú)沖突的無(wú)線信道的分配。第25頁(yè)/共34頁(yè)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(guò)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)兩個(gè)功能WSN路由協(xié)議的特點(diǎn)：能量?jī)?yōu)先基于局部拓?fù)湫畔⒁詳?shù)據(jù)為中心應(yīng)用相關(guān)WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)要求：能量高效可擴(kuò)展性魯棒性快速收斂性第26頁(yè)/共34頁(yè)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(cè)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)算第27頁(yè)/共34頁(yè)WSN體系結(jié)構(gòu)-定位技術(shù)基本計(jì)算方法：三邊測(cè)量法三角測(cè)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(wú)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(wú)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法第28頁(yè)/共34頁(yè)WSN體系結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)融合問(wèn)題的提出在收集信息的過(guò)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(guò)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)收集效率第29頁(yè)/共34頁(yè)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(wú)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(yǔ)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?jǐn)?shù)據(jù)級(jí)融合特征融合決策級(jí)融合第30頁(yè)/共34頁(yè)WSN體系結(jié)構(gòu)-操作系統(tǒng)無(wú)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?jī)A向于普適計(jì)算的小型化方向,重點(diǎn)是支持無(wú)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MedusaMK22和UCBerkeley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,WindowsCE)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RockwellWINS,MIT的μAMPS第31頁(yè)