無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在船只機械監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用

　　2004 年，BP 開始接觸一種名為‘塵?！∕ote ）的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這個2 x 2英寸大小的裝置包括一個處理器、一塊永久非易失的儲存器、一個無線通訊模塊和一個能與傳感器相連的I/O 板。Mote可以將傳感器連接到無線網(wǎng)絡(luò)中，并將數(shù)據(jù)傳輸至終端設(shè)備。這些Mote 通常被學(xué)術(shù)界或?qū)嶒炇矣糜谘芯繖C構(gòu)，但工業(yè)界仍對此持有觀望的態(tài)度。當(dāng)時，并未有任何一家公司生產(chǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)產(chǎn)品。

　　BP Loch Rannoch 油船

　　BP 數(shù)字通訊技術(shù)部門總監(jiān)Harry Cassar 說：“當(dāng)我們初次接觸這項新技術(shù)時就在考慮它是否能工作在我們的環(huán)境中。這些Mote 看起來是設(shè)計精密且?guī)缀鯖]有保護(hù)外殼的電路板。我們想知道它是否能被放置在如精煉場這樣的金屬設(shè)備遍布且高溫、高頻震動的環(huán)境中；Mote 在包裝后能不能在這樣的環(huán)境中正常運行。驗證這種想法的唯一途徑就是測試。于是，Loch Rannoch 的工程就這樣誕生了。

　　工程介紹

　　Loch Rannoch 工程起始于對Mote 的測試和評估，但是并沒有停滯在這個階段。事實上這個工程的目的是開發(fā)一個能夠應(yīng)用在BP 全球工業(yè)生產(chǎn)中的一套商用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在這個工程的每個階段我們都會遇到一些困難，但我們都已一一將其克服。

　　BP 的第一個困難是決定在什么地方實施這個工程。BP的大多工程實施的都要求使用安全的設(shè)備。為測試這種沒有認(rèn)證的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，BP需要找到一個安全需求較低的苛刻環(huán)境。于是，公司選定了一艘1000 英尺長、132,000 噸重，往返于Schiehallion 儲油船和位于Shetland 島 Sullom Voe 地區(qū)的石油處理站的油船——Loch Rannoch 。

　　這艘油輪的金屬設(shè)備比精煉廠的金屬設(shè)備還多，因此這里的射頻環(huán)境更加惡劣和復(fù)雜。不僅如此，油船的船艙都是通過金屬水密門封閉。此外，來自發(fā)動機、發(fā)電機和推進(jìn)機的強烈震動以及引擎室內(nèi)80°F到100°F 的高溫，都將是Mote 正常工作的不良因素。

　　BP 的主要技術(shù)部門與BP 運輸部門都對這個試驗計劃非常關(guān)注?！叭绻贚och Rannoch 油船上做試驗，我希望可以獲得更多的實際價值，而不僅僅是一次測試Mote 能否互相通訊的試驗?！盋assar 還指出：“BP 運輸部門非常希望能夠采集到引擎室攪拌機的震動數(shù)據(jù)?！?nbsp;

　　系統(tǒng)介紹

　　此項BP 的計劃是建立一套預(yù)測維護(hù)系統(tǒng)用來監(jiān)視如馬達(dá)、泵之類具有強烈震動的機器。這些機器被放置于Loch Ronnach 油船的引擎室內(nèi)。通過震動信息來監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時則通過無線通信發(fā)送警告。

　　“震動信息可以幫助預(yù)測機器的磨損狀況并預(yù)知何時需要進(jìn)行維護(hù)，”Cassar 指出“該系統(tǒng)可以告訴你主軸發(fā)生彎曲或是哪臺機器失去平衡。它能把你從每500 小時一次的定期維護(hù)工作中解脫出來，只有在需要的時候才做必要的維護(hù)?！?

　　基于150 個Rochwell 的加速度計，我們構(gòu)建了整個測量系統(tǒng)。每臺機器安裝有6 個傳感器，3個軸的方向各一個，兩個輔助測量點以及一個監(jiān)測機器轉(zhuǎn)動和提供角度相位的轉(zhuǎn)速計。傳感器用金屬外殼封裝放置于離機器2英寸處，通過有線的形式連接到Mote 上。每個Mote 一次可以驅(qū)動10 個傳感器，盡管BP 沒有全都用到。

　　Loch Rannoch 工程的預(yù)測維護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測引擎室內(nèi)的泵和馬達(dá)的工作狀態(tài)。這些機械設(shè)備被安裝了大約150 個加速度器。加速度器探測出的震動數(shù)據(jù)用于評估當(dāng)前的操作環(huán)境。當(dāng)磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的Mote 和網(wǎng)關(guān)通過無線通信發(fā)送警告。

　　數(shù)個Mote 構(gòu)成了一個由網(wǎng)關(guān)控制的子網(wǎng)。Mote 通過IEEE 802.15.4的直接擴頻調(diào)制技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。由于英國政府的限制，工作頻段被調(diào)整到英國標(biāo)準(zhǔn)的868MHz。然而系統(tǒng)的工作頻段是可調(diào)的，但對于工作于國際環(huán)境極為重要。因為各國的許可標(biāo)準(zhǔn)往往不盡相同。

　　網(wǎng)關(guān)之間通過IEEE 802.11 構(gòu)建了一個mesh網(wǎng)絡(luò)，將所有的數(shù)據(jù)傳遞給主控網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳遞給后臺的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。每個網(wǎng)關(guān)都有2GB的內(nèi)存，這確保在網(wǎng)關(guān)與船上的網(wǎng)絡(luò)失去連接時，仍能夠采集并暫時儲存來自Mote 的數(shù)據(jù)。

　　問題與解決方案

　　在Loch Rannoch 工程中，BP、Crossbow 和Intel 公司都遇到了許多問題，這些問題都需要在工程實施前解決。船體的金屬構(gòu)架和密集的機械設(shè)備使引擎室射頻傳輸?shù)目赡苄晕⒑跗湮??！敖饘偈巧漕l能量的一個強大的反射體，”Crossbow科技公司高級應(yīng)用工程師John Suh指出。“金屬對射頻信號產(chǎn)生種不良影響，因此就沒有辦法通過發(fā)送接收裝置得到信息。

　　解決這個問題就是建立一個mesh網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都能與其相鄰節(jié)點通訊。節(jié)點上的數(shù)據(jù)將被相鄰節(jié)點一次次的轉(zhuǎn)發(fā)直到這些數(shù)據(jù)到達(dá)一個控制器或采集站。這樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘀芈窂绞沟眠@個網(wǎng)絡(luò)十分可靠。一旦一個節(jié)點時效，其他節(jié)點仍能夠直接的，或通過一個或幾個中繼節(jié)點相互通信。

　　“不同于傳統(tǒng)的點對點連接，mesh 網(wǎng)絡(luò)提供大量的不同路由，”BP 公司的Cassar 說?！懊總€節(jié)點協(xié)同其他節(jié)點都能探測到任何角落的信息，這種功能是點對點網(wǎng)絡(luò)所無法做到的。而mesh 網(wǎng)絡(luò)的靈活性能解決這樣的問題?！?nbsp;

　　設(shè)備安全性

　　另外一個與環(huán)境相關(guān)的問題是設(shè)計一個能裝載Mote 和電池的安全性較高的外殼。Crossbow 在這個階段的另一個任務(wù)是開發(fā)一套適合BP設(shè)備的商用系統(tǒng)?！拔覀兂浞謱W(xué)習(xí)了封裝技術(shù)，并且設(shè)計出了一款高安全系數(shù)且適合工程應(yīng)用和環(huán)境的的特殊外殼?！盨uh 說。

　　如何處理所有數(shù)據(jù)

　　在項目的最后階段，項目組又面臨一個嚴(yán)峻的問題，那就是要想準(zhǔn)確地確定機械問題的所在，必須獲取大量的震動數(shù)據(jù)并對之進(jìn)行分析。而挑戰(zhàn)在于如何協(xié)調(diào)大數(shù)據(jù)量傳感器監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和低速率網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（IEEE 802.15.4）用于Mote 和網(wǎng)關(guān)之間的通信之間的關(guān)系。

　　具體的解決方案是通過在Mote 上處理大批的數(shù)據(jù)，來減少傳輸給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)量。剛開始時，Mote 用的是8 位的處理器，然而這被證明滿足不了大量數(shù)據(jù)處理需要的。所以Intel 和Crossbow 采用了Intel 32位的X-Scale 處理器代替原有的8 位處理器。

　　“當(dāng)你著眼于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時，你會發(fā)現(xiàn)不同的傳感器會有不同的數(shù)據(jù)帶寬范圍要求?！盋rossbow 的Suh 說，“在一些實際應(yīng)用中，你可能需要通過一個的溫度傳感器采集溫度，要獲得數(shù)據(jù)并不需要太多的處理量。但在這個項目中，我們使用了高帶寬的震動傳感器。我們決定采用比8 位處理器能力更強的微處理器。所以我們采用了32 位微處理器。”

　　Intel 進(jìn)一步通過軟件增強了Mote 的處理性能?！白畹湫偷氖悄憧梢栽贛ote 上作FFT和其它計算來提取出數(shù)據(jù)中的頻率特征。”Intel 的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總監(jiān)Ralph Kling 這樣說，“為了做一些更高級的處理，我們從Rockwell 獲得了使用其接口IP 知識產(chǎn)權(quán)核的許可，并將其在本領(lǐng)域的許多經(jīng)驗算法移植到Mote 上，使Mote 更好地實施監(jiān)控。我們的目的是要在網(wǎng)絡(luò)邊界內(nèi)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，而不像先前那樣把數(shù)據(jù)都傳輸回后端的服務(wù)器?！?

　　Intel 還在網(wǎng)關(guān)上加入了可將數(shù)據(jù)解析為XML 格式的軟件。“我們有一套可對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象和檢索的基于XML 的數(shù)據(jù)系統(tǒng)?！盞ling 說，“XML是一種通用中間件格式，用在網(wǎng)關(guān)和后端服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)關(guān)還提供一個連接后端Rockwell服務(wù)器的接口并將數(shù)據(jù)處理成為服務(wù)器可以接受的格式?！?

　　能量供應(yīng)

　　在BP開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)商用系統(tǒng)的過程中，如何獲得能量，如何利用能量，以及如何確保有足夠的能量等一系列能耗問題越來越被關(guān)注。為了解決這些問題，研究小組采用了低功率無線電IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，并在Mote 上實施能量的安全管理模式。

　　此外，對數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作減少了數(shù)據(jù)傳輸量，這也節(jié)省了電能的消耗?！拔覀儨p少無線傳輸量，”Cassar 說，“射頻組件會消耗大部分的電能，而新處理器驚人的處理能力減少了數(shù)據(jù)量，從而大大提高電池壽命?！?

　　另一項任務(wù)是電能的獲取?！拔覀冊贚och Rannoch上測試的另一項技術(shù)是獲取機械的振動產(chǎn)生的能量，從而把動能轉(zhuǎn)化為電能，”Cassar先生，“我們嘗試了兩種方式，一種是用可充電鋰電池檢驗是否可以完全支持Mote工作。另一種是用可充電的大容量電容器作為儲存媒介。我們認(rèn)識Mote 的能量獲取方式在這個項目中扮演著重要角色?！?

　　試驗結(jié)果

　　Loch Rannoch 項目實現(xiàn)了一套用于系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)測維修的高效自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而這些工作以前大都由人來完成。“操作人員通過手持設(shè)備，如PDA，就能直接獲得各種轉(zhuǎn)動機器的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并同時檢測一個加速度讀數(shù)?！盋assar 說，“以前對于每臺機器，操作員記錄測量儀器的位置并測量幾秒鐘的數(shù)據(jù)。這是一個非常乏味的工作，但必須每六到八周，做一次，有時會更久些。然而他們每次采集到的數(shù)據(jù)其實是十分少的，因為一年才幾次采集數(shù)據(jù)。我們現(xiàn)在將網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為每18 小時采集一次數(shù)據(jù)。再以不用像以前拿著手持設(shè)備每8 周去檢測設(shè)備，而是每18 小時自動采集一次數(shù)據(jù)?！?

　　從Loch Rannoch 項目中獲得的其它經(jīng)驗

　　◆傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在惡劣的環(huán)境中很好地工作。

　　◆射頻和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇是十分重要的。這兩者都可以提高通信的可靠性。

　　◆先進(jìn)的平臺能很好地配合這種特殊的應(yīng)用，因為通過在網(wǎng)絡(luò)邊界內(nèi)的預(yù)處理大幅度降低了數(shù)據(jù)的傳輸量。