傳感器與傳感器網絡 課件第6-8章 傳感器網絡、傳感系統(tǒng)關鍵技術、無線傳感器網絡在軍事上的應用

第6章傳感器網絡6.1傳感器網絡概述6.2無線傳感器網絡6.3多傳感器信息融合6.4物聯網

6.1傳感器網絡概述

6.1.1傳感器網絡發(fā)展自20世紀50年代以來,傳感器網絡經歷了一段漫長的發(fā)展過程,可以概括為四個比較明顯的發(fā)展階段,如圖6-1所示。圖6-1傳感器網絡的發(fā)展歷程

6.1.2傳感器網絡結構

傳感器網絡是由大量分布式傳感器節(jié)點通過某種有線或無線通信協議連接而成的測控系統(tǒng),起到協作感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內的感知對象監(jiān)測信息的作用。

一個比較典型的傳感器網絡拓撲圖如圖6-2所示,除了傳感器節(jié)點外,網絡中的主控計算機可以通過傳感器總線控制器與傳感器總線上的各個節(jié)點實現通信,并完成上層監(jiān)控和決策過程。圖6-2傳感器網絡拓撲結構

傳感器網絡中的每一個節(jié)點都是由它的空間位置和傳感器類型共同確定的,這是其與普通計算機網絡節(jié)點最大的區(qū)別。而且,傳感器網絡采用單點對多點的傳感器總線或無線

連接方式,減少了電纜的工程架設,在傳感器節(jié)點端就已經實現了節(jié)點的自檢、模擬信號調理、數字信號處理和網絡通信的功能,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和時效性。

6.2無線傳感器網絡

無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork,WSN)是一項通過無線通信技術把數以萬計的傳感器節(jié)點以自組織和多跳的方式進行自由組織與結合而形成的網絡形式。無線傳感器網絡中眾多類型的傳感器模塊,可以探測周邊環(huán)境中多種多樣的數據或現象,如地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體大小、速度、方向等。較為普遍或者潛在的應用領域包括軍事、航空、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等。

6.2.1無線傳感器網絡結構

無線傳感器網絡通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點,如圖6-3所示。圖6-3無線傳感器網絡結構

無線傳感器網絡的組建及整體工作流程一般可以概括為如下五個步驟:

①用戶在監(jiān)控區(qū)域內通過飛機播撒、炮彈發(fā)射或其他人工方式隨機部署大量廉價的微型傳感器節(jié)點。

②用戶通過任務管理節(jié)點對部署的無線傳感器網絡進行正確的配置。

③用戶通過任務管理節(jié)點發(fā)布無線傳感器網絡的監(jiān)測任務。

④無線傳感器網絡實時采集監(jiān)測區(qū)域內的數據并進行數據處理,當監(jiān)測到與監(jiān)測任務一致的事件或信息時,立即通過多跳路由的方式發(fā)送到匯聚節(jié)點。

⑤任務管理節(jié)點通過外部網絡接收需要采集和監(jiān)控的數據信息。

1.傳感器節(jié)點結構

無線傳感器網絡中的傳感器節(jié)點,結構與傳統(tǒng)傳感器網絡節(jié)點十分相似,根據通信方式的不同略有差異。一般情況下,無線傳感器網絡的傳感器節(jié)點也由以下四個基本單元組

成:數據采集單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及能量供應單元,如圖6-4所示。圖6-4傳感器節(jié)點結構

2.無線傳感器網絡節(jié)點拓撲結構

無線傳感器網絡最主要的特點之一就是不需要底層的基礎設施支撐,在監(jiān)測區(qū)域內部署好傳感器節(jié)點后,就可以自行組織并構成網絡。節(jié)點的拓撲結構一般可以分為基于簇的結構和基于平面的結構兩種。

1)基于簇的拓撲結構

在無線傳感器網絡技術中,簇一般被定義為具有某種關聯的網絡節(jié)點的集合,每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成?；诖氐耐負浣Y構如圖6-5所示,其中,每個簇成員都會把數據傳遞到簇頭,由簇頭完成數據的分布式處理和融合,然后借助其他簇頭的多跳轉發(fā)或直接傳遞,將信息發(fā)送到用戶節(jié)點。這種結構具有天然的分布式處理能力,其結構與普通的傳感器節(jié)點并無區(qū)別,由簇頭負責大量的通信和計算任務。為了降低能量的消耗速度,簇中的成員通常會按照某種規(guī)則選擇簇頭,或者選擇剩余能量最多的成員作為簇頭。圖6-5基于簇的拓撲結構

2)基于平面的拓撲結構

基于平面的拓撲結構包括兩種,分別是基于網的平面結構和基于鏈的線結構,如圖6-6所示。圖6-6-基于平面的拓撲結構

3.無線傳感器網絡協議棧

無線傳感器網絡的協議棧與以太網的協議棧(五層協議)對應,分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層,如圖6-7所示。圖6-7無線傳感器網絡協議結構

1)物理層

物理層可以讓網絡通信獲得簡單且健壯的信號調制和無線收發(fā)能力,物理層的協議涵蓋有無線傳感器網絡采用的傳輸介質、選擇的頻段以及調制方式等,常用的傳輸介質主要有無線電、紅外線和光波等。

2)數據鏈路層

數據鏈路層負責數據成幀、幀檢查、介質訪問控制、差錯控制及數據流的多路復用等工作,可以保證無線傳感器網絡內點到點和單點到多點的可靠連接以及傳輸數據的正確

性。其中,差錯控制側重于保證目標節(jié)點能夠準確無誤地接收源節(jié)點發(fā)出的信息。

3)網絡層

網絡層的主要任務是實現路由生成與路由選擇,如分組路由、網絡互連、擁塞控制等。由于大多數傳感器節(jié)點與基站之間無法進行直接的通信,所以需要通過中間節(jié)點以多跳路由的方式將數據傳輸至匯聚節(jié)點,在無線傳感器網絡的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間根據特殊的路由協議建立傳輸路徑,保證數據的可靠傳輸。

4)傳輸層

傳輸層的主要任務是對數據流的傳輸控制,實現傳感器網絡的網絡層和外部應用層之間數據格式的轉換,向應用層提供可靠、高質量的數據傳輸服務。無線傳感器網絡監(jiān)測的

數據在匯聚節(jié)點處融合,經由互聯網、衛(wèi)星通信網絡以及移動通信網絡等與外部網絡連接,將傳感器網絡的內部數據尋址方式變換為外部IP地址尋址方式,保證用戶享受到高質量的應用服務體驗。

5)應用層

應用層包含一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件,可以為不同的應用提供一個相對統(tǒng)一的高層接口。應用層軟件與具體的應用場合和環(huán)境密切相關,必須根據感知任務的類別設計不同類型的應用層軟件。

6)能量管理平臺

能量管理平臺負責全面管控傳感器節(jié)點的能源使用條件和方式,需要對各個協議層進行管理,以降低系統(tǒng)的能源損耗。

7)拓撲管理平臺

拓撲管理平臺的主要職責是檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動,維護與匯聚節(jié)點相關的路由,使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)地跟蹤相鄰節(jié)點的位置信息,平衡能源消耗和任務。為了支持和適應傳感器的移動屬性,系統(tǒng)必須在物理層完成測量任務,在控制層進行切換控制操作,在網絡層對路由進行調整和維護,在更上面的層級中提供數據緩存和擁塞解決方案。

8)任務管理平臺

任務管理平臺可以在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。任務管理平臺根據任務量的大小以及各節(jié)點能量的多少,對各個節(jié)點的任務量進行協調與分配,剩余能量較高的節(jié)點需要承擔更多的感知任務。

6.2.2無線傳感器網絡關鍵技術

無線傳感器網絡作為信息領域研究的熱點,實現了多學科的交叉研究,并且衍生出了許多新型的應用和經典的技術,這些技術是支撐傳感器網絡完成任務的關鍵,也是網絡用戶實現功能體驗的前提與保障。

1.基礎服務方面的關鍵技術

無線傳感器網絡在基礎服務方面的關鍵技術有傳感器節(jié)點管理、數據存儲與訪問、數據融合技術、時間同步技術、定位技術等。

1)傳感器節(jié)點管理

對無線傳感器網絡的研究中,傳感器節(jié)點的管理已經成為核心研究內容之一。節(jié)點管理的目的是在保證無線傳感器網絡應用需求的前提下實現節(jié)點能量的有效使用。節(jié)點管理

的研究方向比較集中于節(jié)點的休眠/喚醒機制和節(jié)點的功率管理機制。

2)數據存儲與訪問

無線傳感器網絡是以數據為中心的網絡,雖然網絡應用的場所和硬件部署不盡相同,但是從數據層面分析,傳感器網絡的關注重點是如何有效地存儲各個傳感器節(jié)點實時感知

的數據,以及如何保障數據訪問的效率、可靠性和實時性,因此,數據存儲與訪問策略及其相關技術是重點研究方向。具體來說,數據存儲與訪問技術研究的主要內容包括如何將采

集到的感知數據按照一定的存儲策略存儲在網絡上的特定位置,以及其他傳感器節(jié)點或者基站如何根據數據訪問請求按照相應的訪問策略路由到相關數據的存儲位置,將滿足數據

訪問請求的結果反饋給用戶,究其本質,數據存儲與訪問是一個信息中介過程。

3)數據融合技術

數據融合技術是無線傳感器網絡的關鍵技術之一,通過一定的算法可以對傳感器節(jié)點采集到的大量原始數據在網絡范圍內進行處理,剔除冗余信息只將少量有意義的處理結果傳輸到匯聚節(jié)點中。采用數據融合技術能夠極大減少無線傳感器網絡的傳輸數據量,降低數據沖突,減輕網絡擁塞,有效節(jié)省能源開銷,延長網絡使用壽命。

4)時間同步技術

在分布式系統(tǒng)中,不同的節(jié)點都有自己的本地時鐘,由于節(jié)點的晶振頻率彼此存在一定的偏差,以及受到溫度變化和電磁波等因素的干擾,時鐘不一致的問題不可避免。即使在某個時刻所有傳感器節(jié)點都達到了時間的同步,也不能保證這種同步能夠在隨后的任意時間不變。傳統(tǒng)網絡的時間同步機制主要關注如何使同步誤差值最小化,而并不關心計算和通信復雜度等的影響。

5)定位技術

由于大部分無線傳感器節(jié)點都是大量隨機部署的,所以在監(jiān)測應用中需要節(jié)點在傳輸的數據中補充所在的位置信息。無線傳感器網絡中的定位技術包括傳感器節(jié)點自定位和網

絡區(qū)域內的目標定位跟蹤兩個方面。全球定位系統(tǒng)(GPS)技術是最為常用的自定位手段,但是這項技術的成本較高,而且要求節(jié)點所在環(huán)境必須能夠接收到GPS信號,所以并不適用于室內或者水下環(huán)境。

2.網絡與通信技術

網絡可以將孤立的工作站或主機連接起來構成數據的鏈路,實現資源的共享和通信。網絡通信技術包括有線網絡與無線網絡兩種,能夠適應長短距離的融合,提高物與物間的

傳輸效率。生活中并不陌生的Wi-Fi、藍牙等通信方式,是極具代表性的網絡通信技術,已經極大地改變了人們的生活方式和體驗。

無線傳感器網絡應用成功的關鍵,除了依賴上述基礎服務技術外,無線通信網絡的功能與性能也非常重要,網絡通信協議、網絡拓撲結構控制技術以及網絡安全等多個方面的研究也是無線傳感器網絡應用研究的核心任務。

1)網絡通信協議

網絡通信中最重要的就是網絡通信協議,局域網中目前最常用的網絡通信協議有Microsoft的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和TCP/IP協議。受限于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信資源以及能量,每個傳感器節(jié)點只能獲取龐大網絡中的部分拓撲信息,所以與傳感器節(jié)點通信的網絡通信協議也不能過于復雜。

無線傳感器網絡通信協議要求使各個獨立的傳感器節(jié)點相互連接并通信,形成一個多跳的網絡結構,保證數據在網絡上的正確傳輸。

2)網絡拓撲結構控制技術

對采用自組織方式進行組網的無線傳感器網絡來說,網絡拓撲結構控制對網絡性能有著重大影響。無線傳感器網絡拓撲結構控制主要研究的是如何在保障網絡覆蓋度和連通性

的前提下,設置或調整節(jié)點的發(fā)射功率,然后按照一定的原則選擇出骨干節(jié)點參與網絡中的數據處理和數據傳輸,以此達到優(yōu)化網絡拓撲控制的目的。

3)網絡安全

無線傳感器網絡由于部署環(huán)境和傳播介質的開放性,很容易遭受到各種攻擊,而作為一種源于軍事應用領域的自組織網絡,其安全通信和認證技術顯得尤為重要,需要制定一套完善高效的安全保護機制為網絡系統(tǒng)保駕護航。

3.故障診斷技術

無線傳感器網絡系統(tǒng)易發(fā)的故障類型有網絡級故障和節(jié)點級故障兩類。網絡級故障是指因網絡通信協議或協作管理方面的問題或其他原因造成的較大規(guī)模的故障,容易導致整

個網絡系統(tǒng)的癱瘓,而且網絡級故障的很大一部分誘因是構成節(jié)點的部件本身發(fā)生了故障。節(jié)點級故障是指故障節(jié)點不能與其他節(jié)點進行正常的通信,對網絡的連通性和覆蓋性造成了影響,或者指故障節(jié)點雖然能夠與其他節(jié)點進行正常通信,但是其測量的數據是錯誤的,也會對整個網絡的監(jiān)測任務帶來影響。

故障診斷技術是指根據設備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息查找故障源,同時確定相應的診斷策略的技術,這項技術可以及時準確地對網絡中的各種故障狀態(tài)作出及時的感知和判斷,使系統(tǒng)能夠更加可靠、安全、有效的運行。故障診斷技術的研究和發(fā)展為網絡的應用起到了非常重要的推進作用。

為了保證傳感器網絡自身的使用安全以及服務質量,準確地排除網絡中的故障節(jié)點尤為重要。

6.2.3無線傳感器網絡特點

無線傳感器網絡可以實現數據的采集量化、處理融合和傳輸應用,是信息技術的一個新領域,它除了與無線自組織網絡具有共同特征(移動性、電源能力局限性等)外,還具有很多其他鮮明的特點,包括大規(guī)模、自組織、以數據為中心。

1)大規(guī)模

為了很好地完成監(jiān)測任務,獲取精確的感知信息,無線傳感器網絡在監(jiān)測區(qū)域內通常會部署數以千萬計甚至更多的傳感器節(jié)點,因而傳感器網絡的規(guī)模十分宏大。其實,這里所說的大規(guī)模包括兩個方面的含義:一方面是說傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內,如在原始森林采用無線傳感器網絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測任務時就需要部署大量的節(jié)點;另一方面是說傳感器節(jié)點的部署相對密集,在很小的范圍內就會密集部署大量的節(jié)點。

2)自組織

在無線傳感器網絡應用中,傳感器節(jié)點通常會被放置在沒有基礎結構的地方,比如,當通過飛機播撒的方式將大量傳感器節(jié)點放置于面積廣闊的原始森林或人員不可到達的危險區(qū)域時,節(jié)點的安裝位置并不能預先精確設定,而且相鄰節(jié)點的關系也未知,這就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力,能夠自動完成配置和管理工作,通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成能轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統(tǒng)。

另一方面,網絡應用中部分傳感器節(jié)點因電能耗盡或環(huán)境因素會導致失效或故障,為了避免失效節(jié)點引起的功能異常,增加監(jiān)測系統(tǒng)精度,也需要補充部分新的傳感器節(jié)點到網絡中,使得網絡中的節(jié)點個數出現動態(tài)地增加或減少。除此之外,環(huán)境條件變化導致的無線通信鏈路帶寬變化,傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者的移動,都有可能使網絡的拓撲結構發(fā)生動態(tài)的調整,這就要求傳感器網絡系統(tǒng)能夠利用網絡的自組織性來適應拓撲結構的動態(tài)變化,具有動態(tài)系統(tǒng)的可重構能力。

3)以數據為中心

計算機終端系統(tǒng)的互聯互通形成了互聯網的組織架構形式,互聯網系統(tǒng)中的網絡設備利用唯一的IP地址標識進行資源定位,依賴終端、路由器、服務器等網絡設備的IP地址來

完成信息的傳輸任務,也就是說,如果想要訪問互聯網中的資源,首先就需要知道存放資源的服務器IP地址,互聯網可以視為以地址為中心的網絡。

6.2.4無線傳感器網絡應用

無線傳感器網絡包含大量的可探測振動、磁熱、圖像和聲音等信息的傳感器節(jié)點,可以用于實現對周邊環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測、物體探測、位置識別和跟蹤、本地控制執(zhí)行等任務。它是一門涉及微電子、傳感器以及無線通信技術的交叉學科,已經被廣泛應用于軍事領域和民用領域(包括農業(yè)、環(huán)境、工業(yè)、醫(yī)療、家居生活等眾多方面),同時,在空間探索、土木

工程、物流管理等方面也有著廣闊的應用前景。

1)軍事領域

無線傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,早在20世紀90年代美國就開始了無線傳感器網絡在軍事領域應用的研究工作,在監(jiān)測敵軍區(qū)域、戰(zhàn)場狀況、核攻擊或者

生物化學攻擊、定位目標物等方面均挖掘了巨大的價值,為作戰(zhàn)提供了有力的支持。

2)民用領域

無線傳感器網絡發(fā)展之初,由于受到傳感技術及網絡技術的制約,在民用領域還不能大范圍普及,但是隨著網絡技術的快速發(fā)展,加之制作工藝的優(yōu)化、硬件成本的降低,在民用領域也開始被大量投入使用。

(1)環(huán)境保護。

人們對環(huán)境情況的關注度不斷提高,無線傳感器網絡的出現為環(huán)境數據的采集、環(huán)境保護的研究提供了便利,這種非接觸式的環(huán)境感知方式很好地避免了對環(huán)境本身的破壞,

非常適合用于候鳥跟蹤、昆蟲遷移等方面的研究,或者用于探究氣象和地理環(huán)境,監(jiān)測地震、洪水、火災等自然或人為災害場景。

(2)醫(yī)療。

無線傳感器網絡在醫(yī)療方面也有很深的滲透,如對人體生理數據的遠程采集、醫(yī)護人員和患者之間的互動、藥品的管理等。

(3)智能建筑。

文物保護和古建筑物保護的目的就是最大程度地降低各種因素的影響,避免珍貴的古建筑或者文物的損壞。

(4)空間探索。

空間探索一直是人類的夢想,但是空間探索的范圍廣闊,僅僅依靠發(fā)射少量的航天器難以實現對其他天體及外太空的全面探測。

6.3多傳感器信息融合

6.3.1多傳感器信息融合概述圖6-8以人體為例,形象地解釋了多傳感器信息融合的基本原理,其中,大腦是信息融合的決策中心,眼、耳、鼻等各種功能器官感知到的具有不同度量特征的信息可以在大腦中借助先驗知識進行綜合處理,形成統(tǒng)一的融合決策,進而轉化成為能夠對環(huán)境進行有價值的解釋以及用于解釋這些組合信息的知識庫。圖6-8多傳感器信息融合基本原理

傳統(tǒng)意義上的信息融合(也稱為數據融合)是一種對信息多層次、多方面的處理過程,這個過程是指對多源數據進行檢測、結合、相關、估計和組合,用以達到精確的狀態(tài)估計和身份估計,以及獲得完整及時的態(tài)勢評估和威脅評估。目前對于信息融合比較確切的定義可以概括為:利用計算機技術對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息,在一定準則下加以自動分析、綜合以完成所需的決策和估計任務而進行的信息處理過程。通過定義可以發(fā)現,這一過程將會涉及數據預處理、數據關聯、數據決策和數據融合等多項關鍵技術。多傳感器信息融合的優(yōu)勢很多,比較突出和重要的是下面幾點,在此,結合如圖6-9所示的多傳感器信息融合示意圖,更加直觀地加以闡明。圖6-9多傳感器信息融合示意圖

(1)提高系統(tǒng)檢測精度。

獨立地觀察各傳感器采集到的信息,往往是片面或者不精確的,它們都只反映出檢測對象某一維度的信息,而無法對目標形成一個全面的整體認知。多傳感器信息融合系統(tǒng)充

分利用傳感器信息的互補性,綜合多個傳感器的數據內容后進行分析、決策或判斷,從而獲取對檢測目標的共性反映,降低信息的不確定性,提高信息的利用率和系統(tǒng)的檢測精度,得到比單個傳感器更有保障的結果或結論。

(2)增強系統(tǒng)抗干擾性。

不同傳感器所提供的信息特征是不完全相同的,多傳感器信息融合系統(tǒng)能夠匯聚大量傳感器感知信息,宏觀而全面地捕獲和挖掘與事物本質更加貼近的特征內容,從而大大加強了系統(tǒng)的抗干擾能力。圖6-9中,多個傳感器數據之間會存在一定的重疊區(qū)域,導致冗余信息的生成,但恰恰因為這些冗余信息的存在,系統(tǒng)的抗干擾性反而會增強,保障了在某個傳感器出現故障或錯誤時,整個系統(tǒng)的正常運轉。

(3)提高系統(tǒng)容錯能力。

在傳統(tǒng)的單傳感器系統(tǒng)中,任何一個傳感器出現故障,都可能對系統(tǒng)的整體運轉帶來影響,然而在多傳感器信息融合系統(tǒng)中,可以通過增加測量維度和置信度的方式來屏蔽出錯或故障傳感器的影響,提高系統(tǒng)的容錯能力,改進系統(tǒng)可靠性和可維護性。

(4)擴展信息獲取的時空范圍。

多傳感器信息融合系統(tǒng)擴展了信息獲取的時空范圍,一方面可以在不同時刻獲得更加全面、精確的狀態(tài)數據,以及在相同的時間內獲得更多的信息內容,在提高系統(tǒng)實時性的

同時又降低了信息獲取的成本;另一方面利用多傳感器的分布式探測結構,可以擴大傳感器的空間探測區(qū)域,提高探測能力。

6.3.2多傳感器信息融合模型

1.層次模型

多傳感器信息融合與經典信號處理方法之間存在本質的區(qū)別,多傳感器的信息表征具有更加復雜的形式,而且可以從不同的層次上獲得,將與目標屬性相關的多傳感器觀測數據通過融合算法進行綜合分析處理后,通?？梢援a生比任何單傳感器更加具體和精確的屬性估計和判決。

1)數據層融合

數據層融合也稱低級或像素級融合,數據層融合結構如圖6-10所示,數據層融合通常是以集中式融合體系結構進行的。圖6-10數據層融合

2)特征層融合

特征層融合也稱中級或特征級融合,通常采用分布式或集中式的融合體系。特征層融合結構圖6-11所示圖6-11特征層融合

3)決策層融合

決策層融合也稱高級或決策級融合。決策層融合結構如圖6-12所示,不同類型的傳感器從不同維度對同一個目標進行觀測,每個傳感器在本地獨立地完成數據采樣、預處理、特征提取、判決等操作,建立各自對所觀測目的初步結論,決策層基于對這些結論的融合判決,得出最終的聯合推斷結果。決策層信息融合過程對傳感器的數據進行了更大幅度的濃縮,傳輸的數據量較小,對通信帶寬的要求最低,但是產生的結果是三種方式中準確度最低的。圖6-12決策層融合

2.結構模型

多傳感器信息融合的主要過程如圖6-13所示,包括傳感器的信息獲取(如A/D數據采集)、數據預處理、信息特征提取、數據融合計算和融合結果輸出,其中,信息特征提取和數據融合計算共同組成了數據融合中心。根據傳感器和數據融合中心信息流的關系,信息融合的基本結構可分為串聯型、并聯型、串并混聯型和分散型四種形式。圖6-13多傳感器信息融合過程

1)串聯型

串聯型融合結構如圖6-14所示,首先將兩個傳感器數據進行一次融合,再將得到的融合結果與下一個傳感器數據進行融合,以此類推直至將所有的傳感器數據全部融合在一起并輸出最終的融合結果。在串聯型融合的結構中,每個單傳感器均有各自的輸入和輸出數據,各傳感器數據與上一級傳感器的輸出數據形式有一定的關聯性,所以這種融合結構的前一級傳感器的輸出會對后一級傳感器的輸出產生比較大的影響,最終輸出的融合結果會受到前級所有輸出信息的共同影響。圖6-14多傳感器信息串聯型融合結構

2)并聯型

多傳感器信息并聯型融合結構如圖6-15所示圖6-15多傳感器信息并聯型融合結構

3)串并混聯型

串并混聯型多傳感器數據融合可以理解為串聯型和并聯型兩種融合結構的組合,可以根據實際應用的要求,選擇合適的串并聯組合形式和順序。

4)分散型

多傳感器信息分散型融合結構如圖6-16所示,這種結構首先將若干個傳感器分組后進行初級融合,然后針對初級融合的結果再次進行融合,最終輸出融合結果。圖6-16-多傳感器信息分散型融合結構

3.算法模型

多傳感器信息融合采用的算法模型主要分為三類,如圖6-17所示,包括基于物理模型的算法、基于特征推理技術的算法和基于知識的算法。圖6-17多傳感器信息融合算法分類

1)基于物理模型的算法

基于物理模型的算法主要是將實際觀測數據與各物理模型或預先存儲的目標信息進行匹配計算,從而實現多傳感器數據融合的一類算法,通常會涉及仿真、估計及句法的相關

內容。

2)基于特征推理技術的算法

基于特征推理技術的算法是通過將物體的統(tǒng)計信息或物體的特征數據映射到識別空間來實現的,又可以細分為基于參數的方法和基于信息論的方法。

(1)基于參數的方法。

①經典推理法。該方法在假設目標存在的條件下,計算觀測到的數據與標識相關的概率值。這種方法的主要缺點在于獲取用于分類物體或事件的觀測量的概率密度函數十分困

難,一次推理通常只能針對兩個假設進行估計,如果遇到復雜性很大的多變量數據集,就無法直接應用先驗似然函數進行估計。

②貝葉斯理論(推理法)。該方法把每個傳感器都看作是貝葉斯估計器,實現將每個目標各自的關聯概率分布綜合成一個聯合后驗分布函數,隨著觀測值的輸入,不斷更新這個聯合分布似然函數,并通過計算似然函數的極大值或極小值進行信息的最后融合。盡管貝葉斯推理法解決了經典推理方法的一些不足,但是這種推理算法仍然需要先驗知識的支持,在實際應用中具有很大的局限性。

③D-S理論算法。該方法可以通過集合來表示假設,把對假設的不確定性描述轉化為對集合的不確定性描述,利用概率分布函數、信任函數、似然函數來描述客觀證據對假設

的支持程度,基于對它們之間的推理與運算達到目標識別的目的。

(2)基于信息論的方法。

①神經網絡法。該方法是在現代神經生物學和認知科學對人類信息處理研究成果的基礎上提出的,利用大量的網絡節(jié)點模擬人類神經元系統(tǒng)的分布式并行方式來處理信息,具有很強的容錯性及自學習、自組織、自適應的能力,非常適合模擬復雜的非線性映射,解決信息融合系統(tǒng)中信息量過大的問題。

②熵量測法。該方法主要用于計算和假設與信息的度量、主觀和經驗概率估計等有關的問題,解決多傳感器數據融合目標識別系統(tǒng)中可能出現的因各傳感器提供信息的不完整性、模糊性、矛盾性所引發(fā)的問題。熵的概念起源于熱力學,可以利用信息熵的思想對事物的不確定性進行判決,信息熵的大小決定著系統(tǒng)不確定性的強弱。

③表決算法。該方法的思路是,由每個傳感器提供對被測對象狀態(tài)的一個判斷,然后對這些判斷采取其他較為簡單的判定規(guī)則進行搜索,找到一個由半數以上傳感器支持的判

斷,輸出表決結果。這種算法非常適合應用于沒有可以利用的準確先驗統(tǒng)計數據的情況。

④聚類算法。該方法通過適當的數學建模,可以將混亂的數據自然組合或者按照一定的規(guī)律或要求分類組合,適用于對大數據集合的快速處理。聚類算法能夠挖掘出數據的關

聯,適用于信息融合技術中數據級的處理部分,通過對傳感器采集到的數據進行分類和特征提取來有效減小融合中心的計算負擔,提高融合算法的性能。影響這種算法性能的主要因素有數據排列方式、相似性參數的選擇以及算法本身的選擇等。

⑤模式識別。該方法可以用來解決數據描述與分類的問題,在高分辨率圖像目標和多像素圖像技術中的應用較多。

(3)基于知識的算法。

①邏輯模板方法。邏輯模板方法本質上是一種匹配識別的方法,是指將系統(tǒng)的一個預先確定的模式與觀測數據進行匹配計算,實現分類、識別和推理。預先確定的模式形式可以多種多樣,如邏輯條件、模糊概念、觀測數據以及用來定義一個模式的邏輯關系的不確定性等都可以作為匹配計算的對象。

②模糊集理論。模糊集理論模仿了人類的思維方式,將不精確的知識或不確定邊界的定義引入數學運算,在對客觀事物的認知過程中抽象提取事物的共同特點,再進行概括總

結,將系統(tǒng)的狀態(tài)變量映射成控制量、分類或其他類型的數據輸出。

③基于知識的專家系統(tǒng)?；谥R的專家系統(tǒng)將規(guī)則與專家知識相結合,自動實現對目標的識別。專家系統(tǒng)通常由先驗知識庫、數據庫、推理機制、人機交互界面組成,先驗知識庫的質量優(yōu)劣很大程度上決定了專家系統(tǒng)的效能。

6.4物聯網

6.4.1物聯網概述物聯網(InternetofThings,IoT)是信息科技產業(yè)的第三次革命,成為引領信息產業(yè)發(fā)勃發(fā)展離不開物聯網發(fā)揮的積極推動作用。物聯網即“萬物相連的互聯網”,是一種利用射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按照約定的協議規(guī)則,將任何物品接入互聯網環(huán)境進行信息的交換和通信,以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網絡。

物聯網技術體系架構如圖6-18所示,主要分為了感知控制層、數據傳輸層、數據處理層以及應用決策層四個部分。

感知控制層簡稱感知層,它是物聯網發(fā)展和應用的基礎,實現對客觀事物信息的直接獲取并進行認知和理解的過程。

數據傳輸層的主要任務是通過各種接入設備實現不同類型的網絡融合,保障對物聯網感知數據與控制數據的高效、安全、可靠傳輸,應用于信息的傳送時,其主要功能有提供路由、格式轉換、地址轉換等。圖6-18物聯網技術體系架構

6.4.2物聯網的應用

1)物聯網與智慧農業(yè)

從傳統(tǒng)農業(yè)到現代農業(yè)轉變的過程中,農業(yè)信息化的發(fā)展大致經歷了電腦農業(yè)、數字農業(yè)、精準農業(yè)和智慧農業(yè)四個過程。

目前,智慧農業(yè)包括生產、流通、社區(qū)、銷售、管理以及組織等環(huán)節(jié),智慧農業(yè)的組織結構如圖6-19所示。圖6-19智慧農業(yè)組織結構

2)物聯網與智能建筑

物聯網技術在智能建筑中的應用主要體現在監(jiān)控管理、智能安防、節(jié)能減排和智能家居等方面。

物聯網感知層上的傳感器數目繁多、功能齊全,光纖光柵傳感網絡和無線傳感器網絡是用于智能建筑監(jiān)控管理上的兩個關鍵技術。光纖光柵傳感器一般固化在建筑材料中,用

于測量各種材料的參數和性能;或者安裝在電力系統(tǒng)的終端及接頭等要害位置,實現對電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測,可以防止電流過大、電壓過高,避免故障;或者對建筑物結構進行健康監(jiān)測,通過互聯網將監(jiān)測結果發(fā)送到系統(tǒng)終端。

智能建筑中無線傳感器網絡的特點是無須布線,智能化程度較高,無線傳感器節(jié)點較少,網絡規(guī)模小。在智能建筑內部安裝無線傳感器,可以對室內的溫度、濕度、空氣質量和照明情況進行實時監(jiān)測,從而控制空調系統(tǒng)工作模式(調節(jié)到最低能耗狀態(tài)),還可以自動配置照明系統(tǒng),關閉不需要的燈光以節(jié)約用電,實現綠色、生態(tài)的智能建筑發(fā)展目標。

物聯網時代的智能家居系統(tǒng)包括智能家居安防系統(tǒng)、家庭自動化系統(tǒng)和智能家居系統(tǒng)。

在智能家居系統(tǒng)中,智能手機在專用網絡中既可作為控制臺,又可作為接入終端。作為控制臺可對家電進行管理,比如控制洗衣機、電飯煲等工作,切斷家電電源,啟動空調系

統(tǒng)等;作為接入終端可接收水電氣表數據的遠程傳送,接收物業(yè)信息、安保報警信號等。ZigBee網絡通信方式在智能家居產品中應用最為廣泛,其能耗小、成本低,適用于將小空間環(huán)境中的各種子系統(tǒng)結合起來統(tǒng)籌管理。圖6-20是基于ZigBee網絡技術的智能家居系統(tǒng)示意圖。圖6-20基于ZigBee網絡技術的智能家居系統(tǒng)示意圖

3)物聯網與智慧物流

智慧物流的概念最初是由IBM于2009年提出,以物聯網和大數據為依托,通過協同共享創(chuàng)新模式與人工智能先進技術結合,重塑產業(yè)分工,再造產業(yè)結構,轉變產業(yè)發(fā)展方式。隨著物流業(yè)與互聯網的深化融合,與傳統(tǒng)物流相比,智慧物流出現了一些新功能,如圖6-21所示。圖6-21物聯網與智慧物流

常見的應用場景包含以下幾種。

①銷售預測。

②網絡規(guī)劃。

③倉庫部署。

④智能倉儲。

⑤便捷配送。

4)物聯網與智慧醫(yī)療

2020年新型冠狀病毒疫情爆發(fā),為了在迅速診斷病情的同時減少醫(yī)護人員的交叉感染,西門子公司交付的先進物聯網解決方案——“黎明島”CT方艙方案,使CT設備的應用

不再受地域和地方醫(yī)療資源的限制。通過連接5G或者寬帶網絡,RSA功能可以實現專家端和掃描端的實時通信和互動操作指導,在疫情攻堅的特殊時刻有效緩解一線醫(yī)療資源的

過度透支,同時還可以避免醫(yī)護人員交叉感染,幫助醫(yī)院提升應對疫情的能力,為患者及疑似患者的確診爭取寶貴時間,從而為贏得抗擊疫情的全面勝利提供有力支持。第7章傳感系統(tǒng)關鍵技術7.1智能傳感系統(tǒng)7.2傳感器系統(tǒng)接口技術7.3計算機控制系統(tǒng)7.4計算智能

7.1智能傳感系統(tǒng)

7.1.1智能傳感器基本結構

智能傳感器主要由傳感器、微處理器及連接電路組成,其基本結構如圖7-1所示。圖7-1智能傳感器的基本結構

7.1.2智能傳感器功能

本節(jié)將以智能電子秤中的壓力傳感器為例,初步認識智能傳感器的主要功能,其原理框圖如圖7-2所示。圖7-2智能電子秤中的壓力傳感器原理框圖

(1)自補償與計算。

智能傳感器可以利用微處理器,對測量的信號進行計算,采用多次擬合、差值計算或神經網絡等方法對非線性、漂移和響應時間等情況進行補償,從而獲得更為精確的測量結果。

(2)自檢測與自診斷。

傳統(tǒng)的傳感器都要進行定期的檢驗和標定,以保證其可以正常使用,以及獲得較好的檢測準確性,但是檢測過程往往是破壞性的、低效的,需要拆除現場的傳感器設備或者送到專門的檢驗部門處理。

(3)數據處理與存儲。

智能傳感器的微處理器可以對采集的數據進行異常數據剔除或者數字濾波等數據預處理操作,減小噪聲或其他因素對后續(xù)操作的干擾,提高信號的精準度,而且可以對數據執(zhí)行統(tǒng)計分析、數據融合、邏輯分析以及推理判斷等更高級的分析過程。傳感器的數據儲存能力使其可以隨時記錄工作中的各項參數、工況、故障、維護等情況,為傳感器的使用和技

術創(chuàng)新提供強有力的數據支撐。

(4)數據傳輸與雙向通信。

與傳統(tǒng)傳感器最大的區(qū)別在于,智能傳感器可以利用通信網絡使信息以數字的形式進行雙向通信。微處理器不僅能夠接收和處理傳感器的測量數據,而且能夠將控制信息發(fā)送

至傳感器終端,在測量過程中就能對傳感器進行調節(jié)和控制。智能傳感器的標準化數字輸出接口可與計算機或接口總線直接連接,實現與計算機或網絡適配器的遠程通信與管理功能。

(5)復合。

信號在測量的過程中總是會受到很多外界因素的干擾,常見的干擾信號包括聲、光、熱、電、化學信號等,智能傳感器的復合功能可以實現對多種物理量和化學量的同時測量,

綜合給出全面的信號信息,最大程度地降低干擾信號的影響。

智能傳感器以微處理器為內核,擴展多種外圍部件形成了一套完整的計算機檢測系統(tǒng),與傳統(tǒng)傳感器相比,具有以下較為顯著的特點。

(1)高精度。

(2)高可靠性和高穩(wěn)定性。

(3)多功能和高性價比。

7.2傳感器系統(tǒng)接口技術

7.2.1傳感器系統(tǒng)信號處理技術傳感器獲取的信號中常常夾雜著各種噪聲及干擾信號,為了準確地獲取被檢測對象的信息,首先必須對傳感器檢測到的信號進行處理,方便傳感器系統(tǒng)的業(yè)務應用。傳感器系統(tǒng)信號處理的方法一般包括補償、濾波和噪聲抑制等,目的是提高傳感器的信噪比,改善其分辨率。

1)補償

(1)零點漂移補償

根據實際情況的不同,可以選擇如下幾種解決方式。

①選用高質量的硅管。

②溫度補償法。

③調制法。

(2)非線性誤差修正。

傳感器的特性一般可以利用一個非線性的多變量函數式來表達,如公式(7-1)所示,Z為傳感器的輸出,x為被測物理量,y1,y2,…是溫度、濕度等各種環(huán)境參數信息。

利用計算機軟件法修正非線性誤差的原理如圖7-3所示,傳感器感知物理量信息x后輸出y信號,再經過接口電路的處理后可轉變?yōu)楣┯嬎銠C接收和使用的Y信號(接口電路的類型取決于Y的性質),最后經過計算機的修正輸出系統(tǒng)最終的響應信號YC。圖7-3修正非線性誤差的原理框圖

2)濾波

在傳感器的輸出信號中通常含有很多的動態(tài)噪聲,如果信號的頻譜和噪聲的頻譜不重合,就可以使用濾波器來消除這部分噪聲。濾波方法的分類形式多種多樣,按照選擇物理

量的不同,可以分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇和信息選擇四種;按通頻帶范圍,可以分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五種;而按濾波方法又可以分為模擬濾波器和數字濾波

器兩種,兩者相比,前者的實時性較強,而后者的穩(wěn)定性和重復性較好,并且后者能夠在模擬濾波器不能實現的頻帶下進行濾波處理。圖7-4以樹形結構形式展示了基于濾波方法的濾波器的詳細分類。圖7-4基于濾波方法的濾波器分類

3)噪聲抑制

針對由于信號和噪聲的頻帶重疊或者噪聲的幅值比信號大而產生的信噪比過大的問題,僅依靠濾波器是無法徹底解決的。還需要通過研究信號和噪聲各自的動態(tài)特性,高效地剔除信號中的噪聲干擾。

(1)差動法。

差動法是以差動的形式將動態(tài)特性和靜態(tài)特性相同的兩個敏感元件連接起來,計算并輸出信號的方法。這種方法得到的輸出信號雖然除去了含有相同相位輸入的噪聲信息,但

是仍然無法解決敏感元件內部產生的噪聲干擾。

(2)平均響應法。

平均響應法是利用信號的自相關性質來檢出周期已知的信號內容,將噪聲與信號混疊的波形根據信號的周期進行分段,同步輸出、取樣并利用同相位相加N次求平均。

(3)調制和同步檢波法。

圖7-5(b)解釋了利用遮光板或扇形小孔把微弱光量變換為斷續(xù)光信號并進行同步檢波的原理,其中鎖定放大器是基于同步檢波法的一種放大器。圖7-5(b)中的鎖定放大器可以視為一個在ω近旁的窄頻帶濾波器,假設其等價頻寬為B,低通濾波器的時間常數為T,那么二者可以滿足式(7-3)的關系。圖7-5同步檢波器信號處理系統(tǒng)

7.2.2傳感器系統(tǒng)微機接口技術

根據傳感器的種類和功能的不同,其輸出量一般有模擬量、數字量和開關量三種不同的形式,相應地,存在著三種基本的接口方式,微機處理單元對信號的接口有一定的要求,

接入的方法也會略有差異,傳感器與微機的接口方式與接入方式說明如表7-1所示。

1)數據采集

經過預處理的傳感器輸出信號變?yōu)槟M電壓信號后,需要繼續(xù)轉換為數字量后才可以實現數字的顯示或利用計算機完成后續(xù)的處理過程。典型的數據采集系統(tǒng)從功能模塊進行

劃分,可以將組成部件分為傳感器、放大器(IA)、模擬多路開關(MUX)、采樣保持器(SHA)、A/D轉換器、計算機或數字邏輯電路。根據數據采集系統(tǒng)在電路中部署位置的不同,參考如圖7-6的內容,系統(tǒng)的數據采集方式可以分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結構四種。圖7-6四種數據采集方式

2)采樣

以相等的時間間隔Ts對某個連續(xù)時間信號a(t)進行取樣,得到對應的離散時間信號的過程稱為采樣,如圖7-7所示。圖7-7-連續(xù)時間信號的采樣

3)A/D轉換器

衡量A/D轉換器性能的技術指標很多,比較重要的技術指標包括分辨率、精度、量程、線性度誤差、轉換時間等,只有充分地理解這些指標所代表的物理含義及其對傳感系

統(tǒng)的影響,才能夠設計出符合要求且高效的系統(tǒng)。

7.2.3傳感器系統(tǒng)抗干擾技術

1.干擾源及主要形式

從使用和分析需求上講,沒有價值的信號可以被視為一種干擾,環(huán)境中充斥著各種各樣的干擾信號,下面將列舉一些較為常見且對系統(tǒng)性能影響相對較大的干擾源。

1)外部干擾

從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外部干擾,一般分為自然干擾和人為干擾(或工業(yè)干擾)兩種。自然干擾主要來源于自然界,例如雷電、宇宙輻射等,對廣播、通信、導航等電子

設備的影響通常較大;人為干擾是指由各種電氣、電子設備所產生的電磁干擾及機械干擾、熱干擾、化學干擾等。

(1)電磁干擾。

電磁干擾類型相對復雜一些,通常包括放電噪聲干擾和電氣設備干擾兩種。放電噪聲是指由各種放電現象產生的噪聲,對電子設備的影響最大。放電現象包括持續(xù)放電和過度

放電兩種,前者又包括電暈放電、輝光放電和弧光放電,后者主要是指火花放電。電暈放電主要來自高壓輸電線,在放電過程中產生的脈沖電流和高頻振蕩是潛在的干擾源。引起輝

光放電和弧光放電的放電管(如熒光燈、電弧燈等)具有負阻抗特性,在與外接電路連接時,非常容易引起電路的振蕩,振蕩甚至可達高頻波段。

(2)機械干擾。

機械干擾是由于機械振動或沖擊使電子檢測裝置的電氣參數發(fā)生改變,從而影響檢測系統(tǒng)性能的一類干擾,一般可以采取各種減振措施來降低機械干擾的影響程度,比如應用專用減振彈簧、橡膠墊腳或吸振海綿墊來隔離振動與沖擊對傳感器的影響。

(3)熱干擾。

熱干擾是指由溫度的波動以及不均勻溫度場引起檢測電路元器件參數發(fā)生改變,或產生附加熱電動勢等情況的干擾,這種干擾會對傳感器系統(tǒng)的正常工作帶來負面的影響。通

常的解決辦法包括選用低溫漂、低功耗、低發(fā)熱組件,或者采取溫度補償等熱干擾防護措施。

(4)化學干擾。

化學干擾是由于潮濕的環(huán)境或化學腐蝕導致的各種零部件絕緣強度的降低,嚴重時候可能造成漏電、短路等問題的干擾。

2)內部干擾

(1)固有噪聲源。

固有噪聲源包括熱噪聲、散粒噪聲和低頻噪聲。由電阻內部載流子的隨機熱運動產生的幾乎覆蓋整個頻譜的噪聲電壓形成熱噪聲,其有效值電壓值可以表示為公式(7-4)的形

式。其中,K為玻耳茲曼常數,T為熱力學溫度,R為電阻值,Δf為與系統(tǒng)帶寬相關的噪聲帶寬,從公式關系不難發(fā)現,減小輸入電阻和通頻帶寬將會對噪聲的降低帶來有利的作用。

(2)信噪比(S/N)。

噪聲不能被完全清除,也不能用一個明確的時間函數來描述,所以在實際應用中,只要不影響檢測的最終結果,是允許噪聲與信號共存的。信噪比可以表示噪聲對有用信號的影響程度。噪聲系數用來表示器件或電路對噪聲的品質因數,數值上等于輸入信噪比與輸出信噪比的比值。

2.干擾抑制技術

有了對干擾源及其形式的理解,可以從消除或抑制干擾源、破壞干擾途徑以及削弱接收電路對干擾的敏感性這三個方向抑制干擾的影響,最典型的抗干擾技術有屏蔽、接地、浮置、隔離、濾波等。

1)屏蔽技術

屏蔽技術包括靜電屏蔽和電磁屏蔽兩種。前者也稱為電場屏蔽,可以抑制電場耦合的干擾,為了達到較好的靜電屏蔽效果,通?？梢赃x用銅、鋁等低電阻金屬材料作為屏蔽盒,結合良好的接地措施,盡可能縮短被屏蔽電路伸出屏蔽盒之外的導線長度。后者一般采用良導體材料(如銅、鋁或鍍銀銅板等),利用高頻電磁場在屏蔽導體內產生的渦流效應,達到磁屏蔽的效果。

2)接地技術

接地技術是一種將電網零線和設備外殼接入大地來保障安全的技術,起源于強電技術。對于以電能作為信號,進行電信號的通信、測量、計算控制等的電子技術來說,可以把

電信號的基準電位點稱為“地”,接地線可能與大地是隔絕的關系,所以也可以稱為信號地線。在采用接地技術時,需要遵循“一點接地”的原則,包括機內一點接地和系統(tǒng)一點接地兩種。

對于一個包括傳感器(信號源)和測量裝置的檢測系統(tǒng),一點接地的方式也很重要,如圖7-8所示,圖7-8(a)中采用的是兩點接地方式,通過分析可以發(fā)現,因為地電位差產生的共模

電壓的電流I要流經信號零線,從而轉換為差模干擾,這樣就會對檢測系統(tǒng)造成嚴重的影響;而圖7-8(b)中采用信號源處一點接地的形式,容性漏電流干擾信號會流經屏蔽層,就可將干擾影響降到最低。圖7-8系統(tǒng)的兩點接地和一點接地對比電路圖

3)浮置技術

如果測量裝置電路的公共線不與機殼或大地連接,即與大地之間沒有任何導電性的直接聯系(僅存在寄生電容),這種情況就會出現浮置現象。檢測系統(tǒng)使用的屏蔽浮置設施為

前置放大器,它有內、外兩層屏蔽,內層屏蔽(保護屏蔽)與外層屏蔽(機殼)絕緣,只通過變壓器與外界聯系。電源變壓器屏蔽效果的好壞對檢測系統(tǒng)的抗干擾能力有很大的影響,所以在檢測裝置中,通常會采用帶有三層靜電屏蔽的電源變壓器進行供電,各層接法如下:一層側屏蔽層及電源變壓器外殼與測量裝置的外殼連接并接入大地,中間屏蔽層與“保護屏蔽”層連接,三層側屏蔽層與測量裝置的零電位連接。

4)隔離技術

隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道,從而達到抑制干擾的一種技術措施,采用的方式有變壓器隔離、光電耦合器隔離等。變壓器隔離主要在傳輸交變信號的傳輸通道中使用,

光電耦合器隔離則被廣泛地應用于數字接口電路。目前,在自動檢測系統(tǒng)中傾向于采用光電耦合器來提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。

5)濾波技術

濾波技術是采用相應形式的濾波器將各種干擾信號濾除,使信號傳輸過程中的干擾信號不進入檢測系統(tǒng)的技術,它是抑制差模干擾的最有效措施之一。濾波技術對經導線耦合到電路的干擾的抑制作用最為理想,可以將相應頻帶的濾波器接入信號傳輸通道,濾除或盡可能衰減各種干擾信號,達到提高信噪比,抑制干擾的目的。

在自動檢測系統(tǒng)中經常采用的濾波器有:RC濾波器(也稱電阻電容電路)、交流電源濾波器和直流電源濾波器。當信號源為熱電偶、應變片等信號變化相對緩慢的傳感器時,RC濾波器可以充分發(fā)揮其小體積、低成本的優(yōu)勢,對串模干擾實現較好的抑制效果。

7.3計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)(ComputerControlSystem,簡稱CCS)是指應用計算機借助一些輔助部件與被控對象相參與控制,并聯系,以獲得一定控制目的而構成的系統(tǒng)。這里的計算機通常指各種規(guī)模的數字計算機,如從微型到大型的通用計算機或專用計算機。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。輔助部件與被控對象和部件間的聯系,可以選擇有線方式,如通過電纜的模擬信號或數字信號進行聯系;也可以選擇無線方式,如使用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯系。

7.3.1計算機控制系統(tǒng)組成

計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成,其控制部分包括硬件部分和軟件部分,由模擬控制器構成的系統(tǒng)通常只包括硬件部分。計算機控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和應用

軟件,系統(tǒng)軟件是指操作系統(tǒng)、語言處理程序和服務性程序等,它們通常是由計算機制造廠商為用戶配置的,具有一定的通用性;應用軟件是為了實現特定控制目的而編制的專用程序,如數據采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等,它們涉及被控對象的自身特征和控制策略,是由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制的。

簡單來說,計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現對工業(yè)過程的自動控制。由于計算機只能接收或反饋數字信號量,而從現場采集到的信號或送入執(zhí)行機構的信號大多是模擬

信號形式,所以計算機控制系統(tǒng)會加入包括模數(A/D)、數模(D/A)轉換器和其他必要的外部設備。計算機控制系統(tǒng)的典型結構如圖7-9所示,分模塊來看計算機控制系統(tǒng)的典型結構可以概括為以下幾個部分。圖7-9計算機控制系統(tǒng)的典型結構框圖

①被控對象:即系統(tǒng)需要進行控制的機器、設備或生產過程。被控對象中要求實現自動控制的物理量稱為被控量;

②控制器:也稱校正裝置,用于改善閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)品質和穩(wěn)定精度;

③檢測裝置:監(jiān)測系統(tǒng)的輸出量;

④比較裝置:將系統(tǒng)的輸入量與輸出量進行比較,得到偏差信號;

⑤放大器:放大微弱的偏差信號;

⑥執(zhí)行機構:根據放大后的偏差信號,對被控對象進行控制,使輸出量與給定量一致;

⑦A/D轉換器:將連續(xù)模擬信號轉換為斷續(xù)數字信號,送入計算機;

⑧D/A轉換器:將計算機產生的數字指令信號轉換為連續(xù)模擬信號并傳送給執(zhí)行機構。

從本質上來講,計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以分為實時數據采集、實時決策和實時控制三個步驟。實時數據采集是對被控量及指令信號的瞬時值進行檢測,并將數據傳輸給

計算機的過程;實時決策過程會根據給定的算法,對采集到的被控參數狀態(tài)量進行分析,按照已經確定的控制規(guī)律決定控制過程,生成控制指令;而實時控制過程可以根據決策結果,適時地向被控對象發(fā)出控制信號。

7.3.2計算機控制系統(tǒng)分類

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展不僅提高了國家和企業(yè)的經濟效益,而且促進了企業(yè)和技術的發(fā)展升級。目前,國內外工業(yè)生產過程中,計算機控制系統(tǒng)的模型主要包括直接控制系統(tǒng)

(DDC)、監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、遞階控制系統(tǒng)(HCS)和現場總線控制系統(tǒng)(FCS)五個類別。

1)直接控制系統(tǒng)

為了強調計算機對生產過程進行直接控制這一特性,一般參考如圖7-10所示的形式組建直接控制系統(tǒng)的基本架構。圖7-10直接控制系統(tǒng)流程框圖

2)監(jiān)督控制系統(tǒng)

監(jiān)督控制系統(tǒng)流程框圖如圖7-11所示。圖7-11監(jiān)督控制系統(tǒng)流程框圖

3)集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)又稱為分散控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng),它將DDC、SCC及整個工廠的生產管理融為一體,目前使用較多的集散控制系統(tǒng)有環(huán)形、總線形和分布式幾種。圖7-12

是分布式集散控制系統(tǒng)的流程框圖,整個處理過程可以概括為分散過程控制級、監(jiān)督級和生產管理級3個層級。圖7-12分布式集散控制系統(tǒng)流程框圖

4)遞階控制系統(tǒng)

遞階控制系統(tǒng)一般會分成3個層次,如圖7-13所示,第一層是直接控制級,負責對現場設備的控制;第二層是監(jiān)督控制級,負責指揮直接控制級工作并向上一級傳送信息;第三層是管理信息級,負責總體的協調管理,并調度、指揮監(jiān)督控制級工作。各級分工明確,相互聯系和制約,使整個系統(tǒng)實現可靠平穩(wěn)的運行。圖7-13遞階控制系統(tǒng)流程框圖

5)現場總線控制系統(tǒng)

現場總線控制系統(tǒng)是一個被控過程,是由傳感器、數據融合機制及施動器三個部件組成的實時連續(xù)反饋系統(tǒng)。其中,多個傳感器為數據融合機制提供有關被控過程當前狀態(tài)的

信息;數據融合機制部件是一個數據處理系統(tǒng),它利用傳感器提供的信息,計算所需的操作,以減少系統(tǒng)設定的理想狀態(tài)和當前狀態(tài)之間的差異;施動器實現經數據融合機制計算出的行為操作?，F場總線控制系統(tǒng)控制層結構如圖7-14所示。圖7-13遞階控制系統(tǒng)流程框圖

現場總線控制系統(tǒng)經過不斷的優(yōu)化,一對雙絞線上可掛接多個控制設備,節(jié)省安裝和維護開銷,提高了系統(tǒng)的可靠性,使自控設備與系統(tǒng)步入信息網絡的行列,同時也為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權,為應用開拓了更為廣闊的領域。

7.3.3計算機控制系統(tǒng)發(fā)展

1.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1)起步期

2)試驗期

3)推廣期

4)成熟期

2.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

信息技術的發(fā)展對計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的影響,若想要使計算機控制系統(tǒng)獲得進一步的推廣和應用,就需要對被控對象或生產過程有更為深刻的了解,對過程檢測技術、先進控制理論與技術、計算機技術等領域進行更加深入的研究。計算機控制系統(tǒng)未來將會向著如下5個方向發(fā)展。

1)控制系統(tǒng)的網絡化

計算機網絡將原來分散在不同地點的現場設備連接在一起,在系統(tǒng)中進行工業(yè)數據的遠程傳送與集中管理,可以保證系統(tǒng)間的連接與交流,打破了原有的信息孤島,各種層次、各種規(guī)模的計算機網絡控制系統(tǒng)將會得到越來越廣泛的應用。

2)控制系統(tǒng)的扁平化

現場級網絡技術使控制系統(tǒng)的底層通過網絡技術實現了互聯互通,現場網絡的連接能力和信息管理能力的提高使現場網絡中能夠接入更多的設備。

3)控制系統(tǒng)的智能化

智能控制系統(tǒng)廣泛應用于智能會議與多媒體教學、智能家居、智能控制中心、遠程控制、遠程教育、遠程醫(yī)療、遠程會議等,進一步提高了流媒體錄播系統(tǒng)的應用效率,改變了

人們的工作和生活方式。

4)控制系統(tǒng)的綜合化

隨著現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術的融合發(fā)展,綜合自動化技術(ERP+MES+PCS)被廣泛地應用于工業(yè)的各個環(huán)節(jié),加之借助計算機系統(tǒng)的硬軟件技術,將企業(yè)生產全部過程中人、技術、經營管理三要素及其信息流、物流進行有機的集成以實現可靠的運行,最終實現工業(yè)生產經濟效益的最大化。

5)控制系統(tǒng)的綠色化

可持續(xù)發(fā)展觀是科學發(fā)展觀的核心內容,它不僅要考慮自然層面的問題,甚至要在更大程度上考慮人文層面的問題。節(jié)能環(huán)保是實現可持續(xù)發(fā)展的必然途徑,為了減少甚至消

除自動化設備對人類、環(huán)境的污染和損害,綠色自動化技術應運而生。保障信息安全、減少信息污染、電磁諧波抑制、潔凈生產、人機和諧和綠色制造等策略將成為自動化領域的嶄新課題。

7.4計算智能

7.4.1計算智能算法概述計算智能(算法)在模擬人腦的聯想、記憶、發(fā)散思維、非線性推理、模糊概念等傳統(tǒng)人工智能難以勝任的方面表現優(yōu)異,在與傳統(tǒng)人工智能技術的優(yōu)勢互補中不斷推進和發(fā)展著人工智能的應用領域。

目前,計算智能算法主要包括神經計算、模糊計算、進化計算和單點搜索四個部分,如圖7-15所示,其中,人工神經網絡算法和模糊邏輯分別指通過模仿人腦的生理構造、信息處理過程或者通過模仿人類語言和思維中的模糊性概念來模擬人類的智慧,而進化計算是指通過生物進化過程和群體智能過程來模擬大自然的智慧,單點搜索算法則是利用仿生學的原理,將自然動物中的一些現象抽象成算法來處理相應的問題。圖7-15計算智能主要分類一覽圖

7.4.2計算智能典型算法

1)神經網絡

神經網絡系統(tǒng)是一種自適應的非線性動力系統(tǒng),它比一般的非線性系統(tǒng)更復雜。神經網絡是由大量結構和功能十分簡單的神經元組成,其行為豐富多樣且具有一定的復雜性。盡管神經網絡借鑒了神經科學的基本成果,但是如果想要對這一學科實現全面研究,會涉及計算機、控制論、信息學、數學、物理、力學、哲學、心理學乃至生物進化論、醫(yī)學免疫學等各方面的知識內容,是一門高度綜合的學科,極有可能為下一代計算機及人工智能研究開辟一條嶄新的途徑。

2)模糊邏輯

模糊邏輯是對人腦的不確定性概念判斷和推理思維方式進行模仿,對模型未知或不能確定的描述系統(tǒng)以及強非線性、大滯后的控制對象,應用模糊集合和模糊規(guī)則進行推理,表達過渡性界限或定性研究,實行模糊綜合判斷,推理并解決常規(guī)方法難于實現的規(guī)則型模糊信息問題。模糊邏輯系統(tǒng)通常包括模糊化、模糊推理和去模糊化3個模塊,在模糊推理模塊中,需要根據輸入參數的數量和模糊等級值的數量設計相應的規(guī)則,所以這個模塊決定著整個系統(tǒng)的復雜度。

3)進化計算

進化計算是從大自然適者生存、優(yōu)勝劣汰的進化規(guī)律中獲得的靈感,算法將群體中的每個個體稱為染色體,將個體特性稱為基因,子代通過個體間的競爭繁殖產生,利用個體之間的交叉、變異、選擇等過程實現群體的進化。從數學角度講,進化算法實質上是一種搜索尋優(yōu)的方法,在經過反復多次迭代的過程后,逐步逼近最優(yōu)解。遺傳算法是進化計算的典型算法之一,已被成功地應用于數據挖掘、故障診斷、行程安排、時間序列逼近等研究領域。

4)群體智能

群體智能的靈感來源于群居生物體的社會行為,通常群體中的個體行為簡單,且個體之間沒有差異,群體中沒有中心控制個體,相互之間通過協作來完成復雜問題的求解。粒子群算法就是最為典型的群體智能算法,起源于對鳥類尋找食物時的飛行行為軌跡的研究。傳統(tǒng)的粒子群算法可調參數較少,算法容易實現,且具有較高的運行效率,但是依然存在陷入局部最優(yōu)解的風險。通過引入慣性權重、拓撲結構等手段對傳統(tǒng)粒子群算法進行一系列的優(yōu)化改進,使得對連續(xù)優(yōu)化問題及離散優(yōu)化問題的解決都取得了較好的效果。

5)人工免疫系統(tǒng)

人工免疫系統(tǒng)算法的靈感來源于自然免疫機制,它將自然免疫系統(tǒng)中的抗原、抗體、親合度、B細胞、樹突細胞、T細胞等一系列概念引入到對實際問題的分析中,建立了問題模型。與傳統(tǒng)智能計算方法相比,免疫算法在全局收斂能力和收斂速度方面都表現出一定的優(yōu)越性,它克服了尋優(yōu)處理過程中的早熟現象,但是大量參數的配置問題成為制約人工免疫算法進一步發(fā)展的因素。人工免疫系統(tǒng)已經被廣泛應用于模式識別、機器學習和自動控制等領域,隨著對免疫學研究的不斷深入,人工免疫系統(tǒng)將會得到進一步的完善,其分類性能和處理能力也會得到進一步的提高。第8章無線傳感器網絡在軍事上的應用8.1在偵察方面的應用8.2在火控方面的應用

8.1在偵察方面的應用8.1.1軍事偵察應用概述軍事偵察,是指為獲取國家安全和軍事斗爭所需情報而進行的活動,按任務范圍分為戰(zhàn)略偵察、戰(zhàn)役偵察、戰(zhàn)術偵察;按軍種分為陸軍偵察、海軍偵察、空軍偵察、戰(zhàn)略導彈部隊偵察;按活動空間分為地面?zhèn)刹?、海上偵察、空中偵?按活動方式分為武裝偵察、諜報偵察、技術偵察等。軍事偵察是組織軍事建設、指揮軍事行動以及取得軍事斗爭勝利的重要保障,隨著科技水平的不斷發(fā)展與進步以及作戰(zhàn)方式的不斷調整與升級,偵察應用技術的地位將會更加重要。

無線傳感器網絡實現偵察的過程可以概括為:首先對戰(zhàn)場中的地形、地貌、路況、氣象、水文、敵我雙方的兵力部署、武器配備和人員調動等進行遠程、精確、全天候和隱蔽的偵查與監(jiān)測,全方位地洞察戰(zhàn)場環(huán)境;然后對獲得的原始數據進行傳輸、篩選、挖掘和融合,向戰(zhàn)場指揮員提供一個動態(tài)、實時更新的戰(zhàn)場信息數據庫,提升指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的

感知水平;最終融合來自戰(zhàn)場的其他信息,形成完備的戰(zhàn)場態(tài)勢圖,為更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據。

應用于軍事偵察中的無線傳感器網絡主要具有以下幾個特性。

1)戰(zhàn)場適應能力強

由于無線傳感器網絡是一個節(jié)點對等的網絡,每個節(jié)點都具有路由功能,各個節(jié)點的工作不依賴任何預設的網絡基礎設施,所以網絡中不存在嚴格的中心控制節(jié)點,節(jié)點供電后就可以快速自動地組成一個獨立的網絡,這一優(yōu)勢使無線傳感器網絡具有很強的戰(zhàn)場適應能力。

2)戰(zhàn)場生存能力強

當網絡中某些傳感器節(jié)點因受到環(huán)境干擾或人為破壞而無法正常工作時,網絡自身無需依賴外界的幫助,可通過有效地容納或剔除變化的節(jié)點,通過協調互補實現動態(tài)的連接,從而組建出新的網絡系統(tǒng),維持原始工作狀態(tài),確保節(jié)點的損壞不會對全局任務的執(zhí)行帶來負面的影響。這種自適應的可擴展性大大提高了無線傳感器網絡的戰(zhàn)場生存能力。

3)準確性高

無線傳感器網絡系統(tǒng)可以通過在偵察區(qū)域布設大量低成本的傳感器節(jié)點,從而獲得與偵察目標的近距離接觸,對偵察對象形成分布式、多角度、全方位的監(jiān)測。多節(jié)點聯合與多

方位信息融合的方式能夠有效地提高信號信噪比,減少環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響,提高偵察的準確性。

8.1.2智能塵埃

人們不愿意在自己的房屋、車輛或者辦公室中看到漂浮的塵埃,但是有一種塵埃另當別論,它就是“智能塵?！?。“智能塵?！辈⒉皇钦嬲饬x上的塵埃,它是指20世紀90年代末由美國國防部提供資金、加州大學伯克利分校實施的一項科研課題,是一個由無數具有電腦功能的低成本、低功率的超微型傳感器(某些傳感器只有藥片那么大,絕大部分傳感器的體積相當于一個傳呼機,也稱塵埃)、微處理器、無線電收發(fā)裝置共同組成的監(jiān)測系統(tǒng),可以監(jiān)測周邊環(huán)境的溫度、光亮度和振動程度,甚至可以感知環(huán)境中的輻射或有毒化學物質。將這些超微型傳感器散放在一定的監(jiān)測范圍內,就能夠實現相互定位、收集數據并向基站傳遞信息。

全球定位系統(tǒng)(GPS)技術的成熟和廣泛應用使得對網絡節(jié)點位置信息的感知成為可能。通常會設定一些條件和前提來降低節(jié)點定位技術的研究難度,比如節(jié)點具有測量與相鄰節(jié)點間距離的能力,節(jié)點不具有自主移動能力;或者如果有一定比例的節(jié)點,其位置已知或者具有GPS定位功能,那么這些節(jié)點就可以作為定位的參考點;等等。但需要說明的是,在無線傳感器網絡中,并不需要為所有節(jié)點配備GPS接收裝置,這是因為一方面節(jié)點一般是廉價的,而GPS接收裝置的成本較高;另一方面GPS對使用環(huán)境有一定的限制,在水下、建筑物等環(huán)境中不能直接使用。

在軍事偵察中,要求對信息的感知全面而準確,除了考慮探測需求的隱蔽性以及網絡傳輸的特殊性,網絡的安全問題也是至關重要的,必須要保證各節(jié)點之間的穩(wěn)定及安全。傳統(tǒng)應用中無線傳感網絡通常會承載很大的數據負荷,在數據的傳輸過程中很容易出現不穩(wěn)定或者數據錯誤,這種情況在軍事應用中是致命的,一旦出現會給國防安全帶來毀滅性的后果,為了避免這種問題的出現,必須將傳感器網絡重新設計優(yōu)化,同時采取相關的防護措施以應對各種問題。

保密性、真實性、完整性與可擴展性是安全防護中需要重點考慮的要素。保密性強調了傳感器網絡中認證機制的重要性,因為攻擊方很可能打入內部網絡以竊取信息,所以用戶在接收數據時,首先需要分析和掌握數據來源是否存在安全隱患;真實性要求信息的傳播方和接收方經過授權后按照一定的規(guī)則對數據進行處理,通過加密手段在各節(jié)點之間實現信息數據的傳輸,接收方能夠不受外界的影響把信息正確地解讀出來;完整性是指在保密性得到有效保障后,攻擊方很難發(fā)現信息數據或者竊取其中的內容,

但是接收方也不能完全確定信息是否安全,因為在無線網絡傳輸的過程中還會存在著數據篡改和截取等不可控威脅,這就需要使數據經過驗證后再進行傳播;經過密鑰的管理,信息數據就擁有了可擴展性,因為信息數據能夠經過的節(jié)點很多,網絡覆蓋范圍很廣,所以在網絡部署完成后需要充分考慮對節(jié)點數量增減變化的支持。

8.1.3激光雷達

激光雷達分辨率高,可以采集如方位角俯仰角距離、距離速度強度等形式的三維數據,并將數據以圖像的形式顯示,從而獲得輻射的幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等,有潛力成為重要的偵察手段之一。

激光雷達的偵察能力無可置疑,但是它的應用并未局限于此,經?？梢栽诤芏嗥渌麍鼍爸邪l(fā)現激光雷達的蹤影。

(1)直升機障礙物規(guī)避激光雷達。

(2)化學戰(zhàn)劑探測激光雷達。

(3)機載海洋激光雷達。

(4)成像激光雷達。

8.1.4軍事衛(wèi)星

1.軍事偵察衛(wèi)星

軍事偵察衛(wèi)星是使用最為廣泛的軍事衛(wèi)星,按照衛(wèi)星所擔負任務和設備的不同,可分為電子偵察衛(wèi)星、預警衛(wèi)星等。這種衛(wèi)星可以在戰(zhàn)爭預備階段就投入使用,為后續(xù)的戰(zhàn)略

部署打下堅實的基礎。軍事偵察衛(wèi)星裝載著可見光、紅外以及多光譜等成像設備,具有成像偵察能力,雖然這些成像設備自身存在一定的缺點,但是經過它們彼此間的有機配合卻可以實現全天候、全天時高質量的成像偵察。其中,電子偵察衛(wèi)星是一種可以發(fā)出電磁信號來測定信號源位置的偵察衛(wèi)星,這類衛(wèi)星的特點是具有高靈敏度和高實時信息處理能力,在戰(zhàn)爭中有