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基本信息
- 項目名稱：
- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其工業(yè)應(yīng)用研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中，許多工業(yè)現(xiàn)場往往有大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點用于采集溫度、濕度、電流和電壓等信號，通常這些采集節(jié)點還需要移動以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如此大量的節(jié)點分散在工業(yè)現(xiàn)場的各個角落，如果控制網(wǎng)絡(luò)的組建采用有線技術(shù)來實現(xiàn)，不僅布線復(fù)雜，移動性差，而且容易出現(xiàn)較高的故障率。在這種情況下，無線技術(shù)作為有線技術(shù)的擴展應(yīng)運而生。 我們設(shè)計開發(fā)了無線溫度、壓力變送器和數(shù)據(jù)采集器，構(gòu)成工業(yè)現(xiàn)場的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中凸顯的程序下載更新不便、節(jié)點能耗高及有線無線混合架構(gòu)等問題，利用OAD和低功耗等技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計，解決了以上問題。 本項研究為在工業(yè)現(xiàn)場中使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做出了一定貢獻(xiàn)。由相關(guān)產(chǎn)品搭建的監(jiān)測系統(tǒng)已分別在某建筑和鋼鐵單位進(jìn)行了實際應(yīng)用，運行情況良好，各項參數(shù)檢測準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的無線傳輸效果良好，取得了期望的應(yīng)用效果。
- 詳細(xì)介紹：
- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多無線傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的，其微型節(jié)點具有無線通訊、數(shù)據(jù)采集和協(xié)同合作能力，解決了傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式布線困難、電源不易供給的不足。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的使用價值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的逐步使用，也漸漸凸現(xiàn)出了一些問題，其中有三點問題尤為突出： 首先是節(jié)點的能耗問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通常采用電池供電，能量有限，這些節(jié)點在電池的能量耗盡后就會失效。工業(yè)應(yīng)用對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比較高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在部署后需要長期穩(wěn)定的運行。因此在滿足工業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集與通信需求的前提下如何有效降低節(jié)點的功耗是傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)所面臨的一大挑戰(zhàn)。 其次是如何在原有的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)無線化，并且能與現(xiàn)場的各類總線進(jìn)行有效連接。因為工廠網(wǎng)絡(luò)大多已經(jīng)成熟，無法通過置換所有的設(shè)備來實現(xiàn)無線的功能。 再次是節(jié)點的程序更新問題。在各類工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，多數(shù)系統(tǒng)開發(fā)初期均需要對其軟件進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、修改和升級，而無線傳感器節(jié)點不僅沒有物理連線，而且往往裝配在現(xiàn)場不易手工接觸的地方，這無疑給軟件的調(diào)試、修改和升級帶來極大不便。在無線環(huán)境下，如何解決安裝以后的節(jié)點的軟件升級和調(diào)試工作是需要考慮的問題。 基于以上原因，我們制作了無線壓力變送器、無線溫度變送器和無線數(shù)據(jù)采集器。各儀器均采用單芯片的ZigBee解決方案，并對硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，很好的解決了成本問題，同時也縮小了變送器和采集器的體積，也在一定程度上降低了功耗。節(jié)點在運行過程中采用定期休眠的方式降低了節(jié)點的功耗，采用OAD無線下載技術(shù)來對節(jié)點程序進(jìn)行更新。新開發(fā)的儀器儀表的創(chuàng)新點具體體現(xiàn)在如下方面： 1. 將無線方案應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場采用無線方式傳輸生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，節(jié)省了布線所需成本，提高了網(wǎng)絡(luò)的部署、維護(hù)和管理效率。這種基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使得工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。 2. 變送器節(jié)點功耗低，測量范圍大。變送器節(jié)點的參數(shù)測量范圍大，滿足工業(yè)需求。同時節(jié)點能耗低，采用普通的5號電池供電可工作數(shù)月。通過采用休眠技術(shù)以及有效的電路設(shè)計來保障節(jié)點的低能耗。 3. 節(jié)點程序無線下載。采用OAD(over air download,無線下載)對軟件進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、修改和升級。命令器向無線節(jié)點發(fā)送已經(jīng)修改或需升級的程序鏡像文件，然后由節(jié)點內(nèi)部的引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)用鏡像程序覆蓋原有運行的系統(tǒng)程序，實現(xiàn)對原有內(nèi)部程序進(jìn)行徹底的修改，實現(xiàn)新的功能。 4. 結(jié)合工業(yè)應(yīng)用實際，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)現(xiàn)場總線的混合構(gòu)架。協(xié)調(diào)器節(jié)點將無線傳感網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線連接，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚到現(xiàn)場總線的某個從站（協(xié)調(diào)器節(jié)點），這些數(shù)據(jù)再通過現(xiàn)場總線傳給上位機。 5．通用性好。多通道4～20mA數(shù)據(jù)采集器，使得我們的作品在工業(yè)應(yīng)用中具有很強的通用性，只需連接不同的前端傳感器即可采集各種不同的物理參數(shù)信號，將有線傳輸方式轉(zhuǎn)換成為無線方式。 6. 可靠性。無線傳感網(wǎng)采用mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即使某個中間節(jié)點失效，傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)仍然能夠采用其他路徑傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。 7. 數(shù)據(jù)傳輸速率高。以常見工業(yè)現(xiàn)場總線HART6.0為例，其通信速率為9600bps，采用我們的無線方案，數(shù)據(jù)率可達(dá)250 kb/s，突破了部分工業(yè)現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸速度的瓶頸問題。 本項目所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在鍋爐焊接以及智能建筑等領(lǐng)域進(jìn)行了試用，均取得了較好的效果。相關(guān)技術(shù)的研究以及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，為在工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域大規(guī)模使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做出了一定貢獻(xiàn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的和基本思路： 通過設(shè)計滿足工業(yè)需求的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用做出一定貢獻(xiàn)。 1.采用針對工業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中各變送器節(jié)點將數(shù)據(jù)通過無線射頻方式向協(xié)調(diào)器發(fā)送，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)按Modbus協(xié)議傳給控制計算機。 2.開發(fā)無線壓力、溫度變送器，用以采集工業(yè)現(xiàn)場常見的壓力、溫度信號。 3.開發(fā)具有較強通用性的無線數(shù)據(jù)采集器。采用3通道設(shè)計，將4～20mA信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過無線射頻方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器。 創(chuàng)新點： 1.節(jié)點功耗低，傳輸速率高，通用性好，可靠性高。 2.采用OAD進(jìn)行程序升級、調(diào)試。 3.結(jié)合工業(yè)應(yīng)用，采用無線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)現(xiàn)場總線的混合架構(gòu)。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.自行開發(fā)高頻電路，降低了節(jié)點成本。 2.設(shè)計了采集電路，采用低功耗的芯片和器件，降低功耗。 3.定期發(fā)送數(shù)據(jù)，其余大部分時間處于休眠狀態(tài)，有效降低功耗。 4.數(shù)據(jù)采集程序采用折線法，計算采集數(shù)據(jù)。 技術(shù)指標(biāo)： 1.單個節(jié)點在空曠地帶的傳送距離≤100m； 2.節(jié)點休眠期間的電流≤1mA； 3.溫度變送器測量范圍-50°C-900°C，誤差2‰； 4.壓力變送器測量范圍0～2Mpa，誤差2‰； 5.數(shù)據(jù)采集器采用3通道設(shè)計，輸入信號為4～20mA，誤差2‰。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 采用節(jié)點休眠技術(shù)和有效的采集電路設(shè)計降低節(jié)點功耗，同時利用OAD技術(shù)對節(jié)點進(jìn)行程序無線下載。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點作為modbus總線的從站，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的集成。通過設(shè)計無線多通道數(shù)據(jù)采集器，使得作品在工業(yè)應(yīng)用中具有很強的通用性，只需連接不同的前端傳感器即可采集不同的物理參數(shù)信號。 1.采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)設(shè)備的移動需求，提高了現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)的效率，增強了工業(yè)設(shè)備部署和調(diào)整的靈活性。另外采用無線方式省去大量電纜，節(jié)約了成本。 2.采取了低功耗措施，節(jié)點休眠期間的耗電流為μA級。 3.網(wǎng)絡(luò)安全性。采用128位高級加密算法AES，防止無線環(huán)境中用戶代碼的泄漏，和來自外部的惡意入侵，確保數(shù)據(jù)安全。 4.采用無線下載方式，無需有線連接即可更新程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)的完全無線化。 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，多路徑的存在使得即使某個中間節(jié)點失效，傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)仍然能夠采用其他路徑傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2007年9月 《基于ZigBee協(xié)議的OAD研究和實現(xiàn)》 “ABB杯第二屆全國自動化系統(tǒng)工程師論文大賽”優(yōu)秀獎 2008年9月 上海 長三角嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用競賽二等獎 2008年12月《基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗技術(shù)研究》 “ABB杯第三屆全國自動化系統(tǒng)工程師論文大賽” 優(yōu)秀獎 2009年4月 上海 第七屆陳嘉庚青少年發(fā)明獎 2009年6月 上海 “挑戰(zhàn)杯”上海選拔賽 二等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點： 1. 能耗低，通用性好。 2. 網(wǎng)絡(luò)可靠性好，采用mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，路徑冗余。 3. 數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達(dá)250 kb/s。 4. 程序更新方便，采用OAD技術(shù)進(jìn)行程序更新。 5. 結(jié)合工業(yè)實際，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)現(xiàn)場總線的混合架構(gòu)。 應(yīng)用情況（請參見應(yīng)用證明）： 1. 某鍋爐廠的鍋爐焊接質(zhì)量參數(shù)檢測。 2. 某建筑內(nèi)氣體、光照和溫濕度等環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。 適用范圍和市場分析： 本設(shè)計適用于工廠范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程參數(shù)的無線監(jiān)測和傳輸，能構(gòu)建工廠級無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時可以在需要節(jié)點移動的物流行業(yè)使用以及在智能家居中實時采集各種環(huán)境數(shù)據(jù)。 該項技術(shù)對我國工業(yè)、物流和智能家居都將產(chǎn)生重要的影響，低功耗和靈活性使得無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場，實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的完全無線化，相信能推動工業(yè)控制系統(tǒng)向更高一步邁進(jìn)。
同類課題研究水平概述
- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)在軍事、國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有潛在的使用價值。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于無人值守方式下的間歇式數(shù)據(jù)采集和無線傳送領(lǐng)域。 NEC在第14屆“ITS全球會議”的展會上介紹了多種無線通信技術(shù)，包括使用無線LAN的車輛間通信、使用ZigBee的路況傳感器網(wǎng)絡(luò)和使用無線LAN的對移動車輛的影像傳輸和使用簡易型DSRC的停車場出入管理。英國的Jennic公司設(shè)計了ZigBee的多種收發(fā)LSI及通信模塊，可安裝在多種模塊、網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及遙控器上。 在國內(nèi)，許多研究機構(gòu)也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了跟蹤研究。例如，北京郵電大學(xué)的研究人員開展了煤礦瓦斯報警和礦工定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，可用于危險工作環(huán)境，在煤礦工作的員工及其周圍環(huán)境將可以得到隨時監(jiān)控。電子科技大學(xué)、中國空氣動力研究與發(fā)展中心的研究人員，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大型風(fēng)洞測控環(huán)境的監(jiān)測。武漢理工大學(xué)開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車車廂環(huán)境中的測控應(yīng)用，對車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等等進(jìn)行全程檢測。在物流系統(tǒng)中也逐步使用無線終端產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 但是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，主要存在著以下制約因素： (1) 成本：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的成本是制約其大規(guī)模廣泛應(yīng)用的重要因素。 (2) 能耗：大部分的應(yīng)用領(lǐng)域需要網(wǎng)絡(luò)采用一次性獨立供電系統(tǒng)，因此要求網(wǎng)絡(luò)工作能耗低，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，這是擴大應(yīng)用的重要因素。 (3) 微型化：在某些領(lǐng)域中，要求節(jié)點的體積微型化，對目標(biāo)本身不產(chǎn)生任何影響，或者不被發(fā)現(xiàn)以完成特殊的任務(wù)。 (4) 移動性：在某些特定應(yīng)用中，節(jié)點需要移動，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)快速自組上存在困難。 (5) 兼容性：如何在已存在的工廠級網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)無線化，進(jìn)行無線和有線系統(tǒng)的無縫連接，以及在程序下載等方面實現(xiàn)全無線化也是迫切需要解決的一大難題。 本小組制作的無線壓力、溫度變送器和數(shù)據(jù)采集器采用單芯片的ZigBee解決方案，形成工廠級數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。并對硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，很好的解決了成本問題，同時也縮小了變送器和采集器的體積，也在一定程度上降低了功耗。
