基本信息
- 項目名稱：
- 無線傳感器網絡及其工業(yè)應用研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 在傳統工業(yè)領域中，許多工業(yè)現場往往有大量的現場數據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的數據。如此大量的節(jié)點分散在工業(yè)現場的各個角落，如果控制網絡的組建采用有線技術來實現，不僅布線復雜，移動性差，而且容易出現較高的故障率。在這種情況下，無線技術作為有線技術的擴展應運而生。 我們設計開發(fā)了無線溫度、壓力變送器和數據采集器，構成工業(yè)現場的無線數據采集系統，并針對無線傳感器網絡在應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等問題，利用OAD和低功耗等技術進行了相關設計，解決了以上問題。 本項研究為在工業(yè)現場中使用無線傳感器網絡做出了一定貢獻。由相關產品搭建的監(jiān)測系統已分別在某建筑和鋼鐵單位進行了實際應用，運行情況良好，各項參數檢測準確，數據的無線傳輸效果良好，取得了期望的應用效果。
- 詳細介紹：
- 無線傳感器網絡是由許多無線傳感器節(jié)點協同組織起來的，其微型節(jié)點具有無線通訊、數據采集和協同合作能力，解決了傳統的有線數據傳輸方式布線困難、電源不易供給的不足。無線傳感器網絡在軍事、國防、工業(yè)、農業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多重要領域都有潛在的使用價值，具有十分廣闊的應用前景。 隨著無線網絡技術在工業(yè)現場的逐步使用，也漸漸凸現出了一些問題，其中有三點問題尤為突出： 首先是節(jié)點的能耗問題。無線傳感器網絡中的節(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)應用對系統的穩(wěn)定性要求比較高，無線傳感器網絡在部署后需要長期穩(wěn)定的運行。因此在滿足工業(yè)應用的數據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絡開發(fā)所面臨的一大挑戰(zhàn)。 其次是如何在原有的控制系統的基礎上實現無線化，并且能與現場的各類總線進行有效連接。因為工廠網絡大多已經成熟，無法通過置換所有的設備來實現無線的功能。 再次是節(jié)點的程序更新問題。在各類工業(yè)應用環(huán)境中，多數系統開發(fā)初期均需要對其軟件進行現場調試、修改和升級，而無線傳感器節(jié)點不僅沒有物理連線，而且往往裝配在現場不易手工接觸的地方，這無疑給軟件的調試、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據采集器。各儀器均采用單芯片的ZigBee解決方案，并對硬件結構進行了優(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無線下載技術來對節(jié)點程序進行更新。新開發(fā)的儀器儀表的創(chuàng)新點具體體現在如下方面： 1. 將無線方案應用于工業(yè)現場。在工業(yè)生產現場采用無線方式傳輸生產過程數據，節(jié)省了布線所需成本，提高了網絡的部署、維護和管理效率。這種基于無線技術的數據采集系統使得工業(yè)現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、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月。通過采用休眠技術以及有效的電路設計來保障節(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)對軟件進行現場調試、修改和升級。命令器向無線節(jié)點發(fā)送已經修改或需升級的程序鏡像文件，然后由節(jié)點內部的引導程序負責用鏡像程序覆蓋原有運行的系統程序，實現對原有內部程序進行徹底的修改，實現新的功能。 4. 結合工業(yè)應用實際，采用無線傳感網絡與工業(yè)現場總線的混合構架。協調器節(jié)點將無線傳感網絡和現場總線連接，進行協議轉換。無線傳感器網絡的數據匯聚到現場總線的某個從站（協調器節(jié)點），這些數據再通過現場總線傳給上位機。 5．通用性好。多通道4～20mA數據采集器，使得我們的作品在工業(yè)應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信號，將有線傳輸方式轉換成為無線方式。 6. 可靠性。無線傳感網采用mesh網狀結構，即使某個中間節(jié)點失效，傳感節(jié)點的數據仍然能夠采用其他路徑傳送給協調器節(jié)點。 7. 數據傳輸速率高。以常見工業(yè)現場總線HART6.0為例，其通信速率為9600bps，采用我們的無線方案，數據率可達250 kb/s，突破了部分工業(yè)現場總線的數據傳輸速度的瓶頸問題。 本項目所開發(fā)的無線傳感器網絡已經在鍋爐焊接以及智能建筑等領域進行了試用，均取得了較好的效果。相關技術的研究以及相關產品的開發(fā)，為在工業(yè)現場領域大規(guī)模使用無線傳感器網絡做出了一定貢獻。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 發(fā)明目的和基本思路： 通過設計滿足工業(yè)需求的無線數據采集系統，為無線傳感器網絡在工業(yè)現場的應用做出一定貢獻。 1.采用針對工業(yè)應用的網絡架構，網絡中各變送器節(jié)點將數據通過無線射頻方式向協調器發(fā)送，協調器將數據按Modbus協議傳給控制計算機。 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據采集器。采用3通道設計，將4～20mA信號轉換成數字信號，通過無線射頻方式發(fā)送給協調器。 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進行程序升級、調試。 3.結合工業(yè)應用，采用無線網絡與工業(yè)現場總線的混合架構。 技術關鍵： 1.自行開發(fā)高頻電路，降低了節(jié)點成本。 2.設計了采集電路，采用低功耗的芯片和器件，降低功耗。 3.定期發(fā)送數據，其余大部分時間處于休眠狀態(tài)，有效降低功耗。 4.數據采集程序采用折線法，計算采集數據。 技術指標： 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.數據采集器采用3通道設計，輸入信號為4～20mA，誤差2‰。
科學性、先進性
- 采用節(jié)點休眠技術和有效的采集電路設計降低節(jié)點功耗，同時利用OAD技術對節(jié)點進行程序無線下載。將無線傳感器網絡的協調器節(jié)點作為modbus總線的從站，實現無線網絡與現場總線的集成。通過設計無線多通道數據采集器，使得作品在工業(yè)應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信號。 1.采用無線傳感網絡替代傳統有線網絡，適應設備的移動需求，提高了現場設備維護的效率，增強了工業(yè)設備部署和調整的靈活性。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.網絡安全性。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，確保數據安全。 4.采用無線下載方式，無需有線連接即可更新程序，實現了系統的完全無線化。 5.無線傳感器網絡采用mesh網狀結構，多路徑的存在使得即使某個中間節(jié)點失效，傳感器節(jié)點的數據仍然能夠采用其他路徑傳送到協調器節(jié)點。
獲獎情況及鑒定結果
- 2007年9月 《基于ZigBee協議的OAD研究和實現》 “ABB杯第二屆全國自動化系統工程師論文大賽”優(yōu)秀獎 2008年9月 上海 長三角嵌入式系統創(chuàng)新設計應用競賽二等獎 2008年12月《基于ZigBee協議的無線傳感器網絡節(jié)點的低功耗技術研究》 “ABB杯第三屆全國自動化系統工程師論文大賽” 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
技術轉讓方式
作品可展示的形式
- 實物、現場演示、圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點： 1. 能耗低，通用性好。 2. 網絡可靠性好，采用mesh網狀結構，路徑冗余。 3. 數據傳輸速率高，可達250 kb/s。 4. 程序更新方便，采用OAD技術進行程序更新。 5. 結合工業(yè)實際，采用無線傳感網絡與工業(yè)現場總線的混合架構。 應用情況（請參見應用證明）： 1. 某鍋爐廠的鍋爐焊接質量參數檢測。 2. 某建筑內氣體、光照和溫濕度等環(huán)境參數監(jiān)測。 適用范圍和市場分析： 本設計適用于工廠范圍內的生產過程參數的無線監(jiān)測和傳輸，能構建工廠級無線數據采集系統。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)境數據。 該項技術對我國工業(yè)、物流和智能家居都將產生重要的影響，低功耗和靈活性使得無線數據采集系統可廣泛應用在工業(yè)現場，實現工業(yè)控制系統的完全無線化，相信能推動工業(yè)控制系統向更高一步邁進。
同類課題研究水平概述
- 無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)在軍事、國防、工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和危險區(qū)域遠程控制等許多領域都有潛在的使用價值。目前，無線傳感器網絡主要用于無人值守方式下的間歇式數據采集和無線傳送領域。 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，包括使用無線LAN的車輛間通信、使用ZigBee的路況傳感器網絡和使用無線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公司設計了ZigBee的多種收發(fā)LSI及通信模塊，可安裝在多種模塊、網關設備以及遙控器上。 在國內，許多研究機構也對無線傳感器網絡進行了跟蹤研究。例如，北京郵電大學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絡系統的研究，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、中國空氣動力研究與發(fā)展中心的研究人員，利用無線傳感器網絡進行大型風洞測控環(huán)境的監(jiān)測。武漢理工大學開展了無線傳感器網絡在火車車廂環(huán)境中的測控應用，對車廂內的空氣質量、安全隱患等等進行全程檢測。在物流系統中也逐步使用無線終端產品進行數據采集。 但是，無線傳感器網絡技術在實際應用過程中，主要存在著以下制約因素： (1) 成本：傳感器網絡節(jié)點的成本是制約其大規(guī)模廣泛應用的重要因素。 (2) 能耗：大部分的應用領域需要網絡采用一次性獨立供電系統，因此要求網絡工作能耗低，延長網絡的生命周期，這是擴大應用的重要因素。 (3) 微型化：在某些領域中，要求節(jié)點的體積微型化，對目標本身不產生任何影響，或者不被發(fā)現以完成特殊的任務。 (4) 移動性：在某些特定應用中，節(jié)點需要移動，導致在網絡快速自組上存在困難。 (5) 兼容性：如何在已存在的工廠級網絡中實現無線化，進行無線和有線系統的無縫連接，以及在程序下載等方面實現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、溫度變送器和數據采集器采用單芯片的ZigBee解決方案，形成工廠級數據采集網絡。并對硬件結構進行了優(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。
