无线传感器网络

1、机械设备故障诊断技术 -基于无线传感器网络的设备状态监 测技术 设备状态监测与故障诊断系统的设计 基于无线传感器网络的设备状态监测技术 状态监测与故障诊断系统 功能需求 设备状态数据的采集、存储、显示 状态数据的统计分析 特征值 频谱分析 精密分析 状态预测 设备故障诊断 智能自助诊断 专家会诊 案例学习 状态监测与故障诊断系统 三层体系结构 状态监测与故障诊断系统 现场级 现场级系统是直接与企业的运行设备交互的系统 其主要功能是负责将运行设备实时运行状态信息收集到系统中来 一种是在线的数据采集系统，通过传感器、信号调理系统和数据采集卡，将设备的信号读入系统 另一种是将离线的数据，如点检的数据

2、和离线设备采集的数据等，读入系统 一个企业级系统中可以存在多个现场级系统，它们也是相互独立的、自行工作的。 现场级系统可以是已有的采集系统，也可以是全新开发的采集系统；可以是基于DOS的简单采集系统， 也可以是基于Linux的嵌入式系统 状态监测与故障诊断系统 企业级系统 每个企业级系统都是一个完整的监测和诊断系统，为本企业用户提供基于本地的诊断服务 企业级本身具有很强的在线、离线监测和故障诊断能力，它将企业在线或者离线监测得到的数据经过 有关信息的提取之后，提交到远程诊断中心，同时也可以向远程诊断中心提交企业的诊断案例 企业级系统可以向远程诊断中心提供支持，同时享受远程中心的各种高级服务 状

3、态监测与故障诊断系统 远程诊断中心 远程诊断中心将各个企业通过互联网连接，实现企业间的互访和资源共享 实现远程专家对企业大型设备的交互式诊断以及网上专家会诊，并且远程专家可以随时跟踪监测设备 的运行状况，以便第一时间给出诊断和预测 远程诊断中心将各企业的诊断数据和诊断方法汇总、抽象，提炼出更普遍适用的诊断方法和诊断规则， 形成具有普遍意义的典型故障案例 远程诊断中心还将诊断专家的诊断方法和诊断思路精炼、重组，形成中心的智能专家诊断库 状态监测与故障诊断系统 发展趋势 基于Internet/Intranet的远程访问(Web服务) 嵌入式数据采集 系统功能可以动态可扩展(组态) 新的信号分析与处

4、理方法 新的故障诊断方法 基于无线传感器网络的系统应用 设备状态监测与故障诊断系统的设计 基于无线传感器网络的设备状态监测技术 基于无线传感器网络的状态监测 传统监测系统的特点 有线连接 有源供电 存在的主要困难 对于移动和旋转设备，应用受限 对于分布区域广的监测对象，布线复杂、成本增加、可扩展性差，可维护性差 信号长距离传输常会引入噪声干扰，可靠性降低 高温、高危等环境中监测节点和线路的维护 临时监测节点与监控系统之间的通信。 基于无线传感器网络的状态监测 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是采用无线通信的方式将大量的传感器节点形成 一个多跳的、自组织的

5、监控网络。 无线通信传输 可靠性高 自组织 维护方便 扩展性好 基于无线传感器网络的状态监测 无线通信 可以从根本上解决距离、环境、移动、旋转等因素导致的不易或无法 布线问题。 通信链路良好的冗余性和鲁棒性 避免了由于某个单点环节的破坏而造成对整个监控系统的影响，可以 有效提高监控系统的灵活性、可靠性和可扩展性。 监测节点集传感器、数据采集模块、数据处理单元和数据通信 模块于一体。 可以通过各节点之间的协同工作形成智能化、集成化的测控网络 利用数据融合的方法实现多因素和自主式的动态警示体系。 监测节点成本低、体积小，易于安装和维护 可以适用于多种复杂的工业环境。 无线传感器网络 综述 无线传感

6、器网络硬件节点 无线传感器网络软件体系结构及支撑技术 无线传感器网络的应用案例 无线传感器网络 无线传感器网络(wireless sensor network , WSN)的基本概念 WSN与Ad Hoc的区别 WSN特点 WSN面临的挑战 WSN的关键技术及发展趋势 WSN的基本概念 WSN与Ad Hoc的区别 WSN 传感器：强调监测与控制的应用 对节点的要求低(计算能力、存储能力、供电方式等) 组网节点的规模大 自组织网络 Ad Hoc (Mobile Ad-Hoc Network) 只强调移动通讯 节点成本高 节点与节点间形成对等网络 WSN的特点 l大规模网络 l自组织网络 l动态性

7、网络 l可靠性网络 l应用相关的网络 l以数据为中心的网络 大规模性包含两个方面： 传感器网络节点分布区域广 在一个区域不大的空间内密集 部署大量节点 能够自动进行配置和管理，通 过拓扑控制机制和网络协议自 动形成转发监测数据的多跳无 线网络系统。 传感器节点出现故障或失效 无线通信链路带宽变化 传感器节点、感知对象和观 察者之间的移动 新节点的加入 由于监测区域或环境的限制，不 可能人工维护大量的传感器节点， 就要求无线传感器具有鲁棒性和 容错性。 不同的应用背景对无线传感器网 络的要求不同，其硬件平台、软 件系统和网络协议必然会有很大 差别。 无线传感器网络是任务型网络。 用户使用传感器网

8、络查询事件时， 关心的事件本身，而不是节点。 WSN的关键技术 无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域，主要的关键技术有： 无线通信技术 嵌入式操作系统 网络拓扑控制 网络协议 数据融合 数据管理 网络安全 时间同步 定位技术 WSN硬件节点 设计准则和趋势 超低功耗、微型化、低成本等 节点体系结构图 WSN现有节点对比 WSN软件体系结构及支撑技术 无线传感器网络体系结构如下图所示 物理层提供简单但 健壮的信号调制和 无线收发技术 数据链路层负责 数据成帧、帧检 测、媒体访问和 差错控制 网络层负责 路由生成和 路由选择 传输层负责数 据流的传输控 制，是保证通 信服务质量的 重要部分 应用

9、层包括一系 列基于监测任务 的应用层软件 WSNWSN体系结构- -物理层 物理层的功能： 为数据终端设备(data terminal equipment, DTE)提供传送数据的通路。 传输数据:物理层要形成适合数据传输的实体，用来提供数据传送业务 完成一定的管理工作，例如信道评估、能量检测、收发器管理、物理层属性管理等工作。 物理层主要技术 介质及频段选择 调制技术 扩频技术 WSNWSN体系结构- -物理层 需要解决的问题 l能量问题 n能耗 n能量来源 l成本问题 (1)WSN节点收发机的工作能耗远远大于待机能 耗，如何减小工作能耗是WSN物理层设计需要 解决的主要问题之一。 (2)收

10、发机工作电流取决与符号率，而不取决 于数据传输速率。WSN物理层能耗的优化面临 着降低符号率和提高数据传输速率的矛盾。 (1)如何根据WSN的工作特点选择合适的电池是 一个研究重点。 (2)研究从周围环境取得能量并将其转换成电能 引起广泛关注。例如振动和应变形式的光能、 热能和机械能，以及太阳能等。 如何将WSN节点中的传感器模块、处理模块、通 信模块和电源模块进行有效集成，降低节点成 本，是WSN的研究的重点问题。 数字电路使用印刷电路板，体积较小，成本较 低，是节点高度集成必须考虑的问题。 实现低成本要求采用简单的调制、解调和扩频 算法，尽量降低所设计的协议、算法的复杂度， 从而降低对硬件

11、的要求。 WSNWSN体系结构- -物理层 研究现状 介质和频段选择 调制和扩频机制 休眠机制 挑战与机遇 信号传播质量保障机制 节能机制 小型化、低成本、低功耗节点的SOC实现及节能为目标的硬件管理策略 WSN体系结构- -数据链路层 数据链路层最重要的任务是对相邻节点之间的通信进行管理，形成高效、可靠的数据传输。 主要任务包括: 组帧 将用户数据构成分组(Packet)或帧(Frame)。 差错控制 用于改进链路传输的可靠性，其关键问题是协调不断增长的可靠性要求与信道差错率之间的关系。 流量控制 链路管理 链路管理机制包括发现、设置并拆除相邻节点间的链路问题。 WSN体系结构- -MAC协

12、议 MAC协议的分类： 根据无线信道是采用固定分配还是随机访问将MAC协议分为三类 采用无线信道的时分复用方式(time division multiple access, TDMA),给每个传感器节点分配 固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑减少节点间 的干扰。 其他MAC协议，如通过采用频分复用或码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。 WSN体系结构- -路由协议 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点 包括寻找源节点和目的节点间的优化路径、将数据分组沿着优化路径正确的转发

13、两个功能 WSN路由协议的特点： n能量优先 n基于局部拓扑信息 n以数据为中心 n应用相关 WSN路由协议设计要求： n能量高效 n可扩展性 n鲁棒性 n快速收敛性 WSN体系结构- -定位技术 目的： 传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提，同时也为基于地理位置信息的路由协议 提供信息支持。 传感器网络定位算法的特点： 自组织性 健壮性 能量高效 分布式计算 WSN体系结构- -定位技术 基本计算方法： 三边测量法 三角测量法 极大似然估计法 定位算法分类： 基于距离的定位算法和距离无关的定位算法 递增式的定位算法和并发式的定位算法 基于信标节点的定位算法和无信标节点的定位算

14、法 WSN体系结构- -数据融合 问题的提出 在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到汇聚节点的方法，不仅浪费通信带宽和能量，而且 降低信息收集的效率。 数据融合 将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。 数据融合的作用 节省能量 获得更准确的信息 提高数据收集效率 WSN体系结构- -数据融合 数据融合的分类 根据融合前后数据的信息含量划分 无损失融合 有损失融合 根据数据融合与应用层数据语义之间的关系划分 依赖于应用的数据融合 独立于应用的数据融合 结合以上两种技术的数据融合 根据数据融合操作的级别划分 数据级融合 特征融合 决策级融合 WSN体系结构- -

15、操作系统 无线传感器网络操作系统的划分 基于AVR架构的研究倾向于普适计算的小型化方向,重点是支持无线网络传感器的具有多跳网络通信功 能的微型操作系统及其整体解决方案的研究;例如UCLA的Medusa MK22 和UC Berkeley的TinyOS 基于StrongARM架构的研究则倾向于普适计算的中型实用化方向,该平台更接近于现有的PC架构,能够 得到当前主要操作系统(如Linux,Windows CE)和应用软件的支持,因而研究重点是软件功能的完善。 例如RockwellW INS,M IT的AMPS WSN体系结构- -应用介绍 l军事应用 l基础设施安全 l环境监测 l工业应用 l智

16、能交通控制 l地震监测 l生命科学 Precision Agriculture, Water quality management A thin arch dam - Switzerland Golden Gate Bridge San Francisco WSN体系结构- -应用介绍 鞍钢冷轧厂连退炉辊轴承温度监测 设备状态监测与故障诊断系统的设计 基于无线传感器网络的设备状态监测技术 状态监测与故障诊断系统 企业级系统 每个企业级系统都是一个完整的监测和诊断系统，为本企业用户提供基于本地的诊断服务 企业级本身具有很强的在线、离线监测和故障诊断能力，它将企业在线或者离线监测得到的数据经过 有关信息的提取之后，提交到远程诊断中心，同时也可以向远程诊断中心提交企业的诊断案例 企业级系统可以向远程诊断中心提供支持，同时享受远程中心的各种高级服务 设备状态监测与故障诊断系统的设计 基于无线传感器网络的设备状态监测技术 WSNWSN体系结构- -物理层 物理层的功能： 为数据终端设备(data terminal equipment, DTE)提供传送数据的通路。 传输数据:物理层要形成适合数据传输的实体，用来提供数据传送业务 完成一定