基本信息
- 项目名称：
- 无线传感器网络及其工业应用研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 在传统工业领域中，许多工业现场往往有大量的现场数据采集点用于采集温度、湿度、电流和电压等信号，通常这些采集节点还需要移动以获取相应的数据。如此大量的节点分散在工业现场的各个角落，如果控制网络的组建采用有线技术来实现，不仅布线复杂，移动性差，而且容易出现较高的故障率。在这种情况下，无线技术作为有线技术的扩展应运而生。 我们设计开发了无线温度、压力变送器和数据采集器，构成工业现场的无线数据采集系统，并针对无线传感器网络在应用中凸显的程序下载更新不便、节点能耗高及有线无线混合架构等问题，利用OAD和低功耗等技术进行了相关设计，解决了以上问题。 本项研究为在工业现场中使用无线传感器网络做出了一定贡献。由相关产品搭建的监测系统已分别在某建筑和钢铁单位进行了实际应用，运行情况良好，各项参数检测准确，数据的无线传输效果良好，取得了期望的应用效果。
- 详细介绍：
- 无线传感器网络是由许多无线传感器节点协同组织起来的，其微型节点具有无线通讯、数据采集和协同合作能力，解决了传统的有线数据传输方式布线困难、电源不易供给的不足。无线传感器网络在军事、国防、工业、农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值，具有十分广阔的应用前景。 随着无线网络技术在工业现场的逐步使用，也渐渐凸现出了一些问题，其中有三点问题尤为突出： 首先是节点的能耗问题。无线传感器网络中的节点通常采用电池供电，能量有限，这些节点在电池的能量耗尽后就会失效。工业应用对系统的稳定性要求比较高，无线传感器网络在部署后需要长期稳定的运行。因此在满足工业应用的数据采集与通信需求的前提下如何有效降低节点的功耗是传感器网络开发所面临的一大挑战。 其次是如何在原有的控制系统的基础上实现无线化，并且能与现场的各类总线进行有效连接。因为工厂网络大多已经成熟，无法通过置换所有的设备来实现无线的功能。 再次是节点的程序更新问题。在各类工业应用环境中，多数系统开发初期均需要对其软件进行现场调试、修改和升级，而无线传感器节点不仅没有物理连线，而且往往装配在现场不易手工接触的地方，这无疑给软件的调试、修改和升级带来极大不便。在无线环境下，如何解决安装以后的节点的软件升级和调试工作是需要考虑的问题。 基于以上原因，我们制作了无线压力变送器、无线温度变送器和无线数据采集器。各仪器均采用单芯片的ZigBee解决方案，并对硬件结构进行了优化，很好的解决了成本问题，同时也缩小了变送器和采集器的体积，也在一定程度上降低了功耗。节点在运行过程中采用定期休眠的方式降低了节点的功耗，采用OAD无线下载技术来对节点程序进行更新。新开发的仪器仪表的创新点具体体现在如下方面： 1. 将无线方案应用于工业现场。在工业生产现场采用无线方式传输生产过程数据，节省了布线所需成本，提高了网络的部署、维护和管理效率。这种基于无线技术的数据采集系统使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。 2. 变送器节点功耗低，测量范围大。变送器节点的参数测量范围大，满足工业需求。同时节点能耗低，采用普通的5号电池供电可工作数月。通过采用休眠技术以及有效的电路设计来保障节点的低能耗。 3. 节点程序无线下载。采用OAD(over air download,无线下载)对软件进行现场调试、修改和升级。命令器向无线节点发送已经修改或需升级的程序镜像文件，然后由节点内部的引导程序负责用镜像程序覆盖原有运行的系统程序，实现对原有内部程序进行彻底的修改，实现新的功能。 4. 结合工业应用实际，采用无线传感网络与工业现场总线的混合构架。协调器节点将无线传感网络和现场总线连接，进行协议转换。无线传感器网络的数据汇聚到现场总线的某个从站（协调器节点），这些数据再通过现场总线传给上位机。 5．通用性好。多通道4～20mA数据采集器，使得我们的作品在工业应用中具有很强的通用性，只需连接不同的前端传感器即可采集各种不同的物理参数信号，将有线传输方式转换成为无线方式。 6. 可靠性。无线传感网采用mesh网状结构，即使某个中间节点失效，传感节点的数据仍然能够采用其他路径传送给协调器节点。 7. 数据传输速率高。以常见工业现场总线HART6.0为例，其通信速率为9600bps，采用我们的无线方案，数据率可达250 kb/s，突破了部分工业现场总线的数据传输速度的瓶颈问题。 本项目所开发的无线传感器网络已经在锅炉焊接以及智能建筑等领域进行了试用，均取得了较好的效果。相关技术的研究以及相关产品的开发，为在工业现场领域大规模使用无线传感器网络做出了一定贡献。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的和基本思路： 通过设计满足工业需求的无线数据采集系统，为无线传感器网络在工业现场的应用做出一定贡献。 1.采用针对工业应用的网络架构，网络中各变送器节点将数据通过无线射频方式向协调器发送，协调器将数据按Modbus协议传给控制计算机。 2.开发无线压力、温度变送器，用以采集工业现场常见的压力、温度信号。 3.开发具有较强通用性的无线数据采集器。采用3通道设计，将4～20mA信号转换成数字信号，通过无线射频方式发送给协调器。 创新点： 1.节点功耗低，传输速率高，通用性好，可靠性高。 2.采用OAD进行程序升级、调试。 3.结合工业应用，采用无线网络与工业现场总线的混合架构。 技术关键： 1.自行开发高频电路，降低了节点成本。 2.设计了采集电路，采用低功耗的芯片和器件，降低功耗。 3.定期发送数据，其余大部分时间处于休眠状态，有效降低功耗。 4.数据采集程序采用折线法，计算采集数据。 技术指标： 1.单个节点在空旷地带的传送距离≤100m； 2.节点休眠期间的电流≤1mA； 3.温度变送器测量范围-50°C-900°C，误差2‰； 4.压力变送器测量范围0～2Mpa，误差2‰； 5.数据采集器采用3通道设计，输入信号为4～20mA，误差2‰。
科学性、先进性
- 采用节点休眠技术和有效的采集电路设计降低节点功耗，同时利用OAD技术对节点进行程序无线下载。将无线传感器网络的协调器节点作为modbus总线的从站，实现无线网络与现场总线的集成。通过设计无线多通道数据采集器，使得作品在工业应用中具有很强的通用性，只需连接不同的前端传感器即可采集不同的物理参数信号。 1.采用无线传感网络替代传统有线网络，适应设备的移动需求，提高了现场设备维护的效率，增强了工业设备部署和调整的灵活性。另外采用无线方式省去大量电缆，节约了成本。 2.采取了低功耗措施，节点休眠期间的耗电流为μA级。 3.网络安全性。采用128位高级加密算法AES，防止无线环境中用户代码的泄漏，和来自外部的恶意入侵，确保数据安全。 4.采用无线下载方式，无需有线连接即可更新程序，实现了系统的完全无线化。 5.无线传感器网络采用mesh网状结构，多路径的存在使得即使某个中间节点失效，传感器节点的数据仍然能够采用其他路径传送到协调器节点。
获奖情况及鉴定结果
- 2007年9月 《基于ZigBee协议的OAD研究和实现》 “ABB杯第二届全国自动化系统工程师论文大赛”优秀奖 2008年9月 上海 长三角嵌入式系统创新设计应用竞赛二等奖 2008年12月《基于ZigBee协议的无线传感器网络节点的低功耗技术研究》 “ABB杯第三届全国自动化系统工程师论文大赛” 优秀奖 2009年4月 上海 第七届陈嘉庚青少年发明奖 2009年6月 上海 “挑战杯”上海选拔赛 二等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点： 1. 能耗低，通用性好。 2. 网络可靠性好，采用mesh网状结构，路径冗余。 3. 数据传输速率高，可达250 kb/s。 4. 程序更新方便，采用OAD技术进行程序更新。 5. 结合工业实际，采用无线传感网络与工业现场总线的混合架构。 应用情况（请参见应用证明）： 1. 某锅炉厂的锅炉焊接质量参数检测。 2. 某建筑内气体、光照和温湿度等环境参数监测。 适用范围和市场分析： 本设计适用于工厂范围内的生产过程参数的无线监测和传输，能构建工厂级无线数据采集系统。同时可以在需要节点移动的物流行业使用以及在智能家居中实时采集各种环境数据。 该项技术对我国工业、物流和智能家居都将产生重要的影响，低功耗和灵活性使得无线数据采集系统可广泛应用在工业现场，实现工业控制系统的完全无线化，相信能推动工业控制系统向更高一步迈进。
同类课题研究水平概述
- 无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)在军事、国防、工业、农业、环境监测和危险区域远程控制等许多领域都有潜在的使用价值。目前，无线传感器网络主要用于无人值守方式下的间歇式数据采集和无线传送领域。 NEC在第14届“ITS全球会议”的展会上介绍了多种无线通信技术，包括使用无线LAN的车辆间通信、使用ZigBee的路况传感器网络和使用无线LAN的对移动车辆的影像传输和使用简易型DSRC的停车场出入管理。英国的Jennic公司设计了ZigBee的多种收发LSI及通信模块，可安装在多种模块、网关设备以及遥控器上。 在国内，许多研究机构也对无线传感器网络进行了跟踪研究。例如，北京邮电大学的研究人员开展了煤矿瓦斯报警和矿工定位无线传感器网络系统的研究，可用于危险工作环境，在煤矿工作的员工及其周围环境将可以得到随时监控。电子科技大学、中国空气动力研究与发展中心的研究人员，利用无线传感器网络进行大型风洞测控环境的监测。武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用，对车厢内的空气质量、安全隐患等等进行全程检测。在物流系统中也逐步使用无线终端产品进行数据采集。 但是，无线传感器网络技术在实际应用过程中，主要存在着以下制约因素： (1) 成本：传感器网络节点的成本是制约其大规模广泛应用的重要因素。 (2) 能耗：大部分的应用领域需要网络采用一次性独立供电系统，因此要求网络工作能耗低，延长网络的生命周期，这是扩大应用的重要因素。 (3) 微型化：在某些领域中，要求节点的体积微型化，对目标本身不产生任何影响，或者不被发现以完成特殊的任务。 (4) 移动性：在某些特定应用中，节点需要移动，导致在网络快速自组上存在困难。 (5) 兼容性：如何在已存在的工厂级网络中实现无线化，进行无线和有线系统的无缝连接，以及在程序下载等方面实现全无线化也是迫切需要解决的一大难题。 本小组制作的无线压力、温度变送器和数据采集器采用单芯片的ZigBee解决方案，形成工厂级数据采集网络。并对硬件结构进行了优化，很好的解决了成本问题，同时也缩小了变送器和采集器的体积，也在一定程度上降低了功耗。
