<4D F736F F F696E74202D20CEDECFDFB4ABB8D0C6F7CDF8C2E7D3EBB9A4D2B5CEDECFDF2E707074>

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F F696E74202D20CEDECFDFB4ABB8D0C6F7CDF8C2E7D3EBB9A4D2B5CEDECFDF2E707074>"

媛芮
6 years ago
Views:

1 无线传感器网络与工业无线测控系统于海斌

2 内容提要无线传感器网络的产生与应用领域无线传感器网络的主要研究进展无线传感器网络对工业自动化领域的影响与未来的工业无线测控系统无线技术在工业现场应用面临的挑战与对策工业现场级无线网络的标准化进程工业无线测控系统的应用前景展望

3 无线传感器网络个体 : 大量微传感器整体 : 自治网络系统智能系统目的 : 信息获取

4 信息获取模式的改变目前的信息获取系统 : 具有固定的层次结构下一代的信息获取系统 : 根据任务进行自组织

5 The Sensor IS the Network From data to information to knowledge! Third Generation - Sensor Agents goal focus dynamic architecture network intelligence First Generation - Dumb Sensors data focus flat architecture no intelligence Second Generation - Smart Sensors application focus hierarchical architecture local intelligence

6 新的 IT 热点技术无线传感器网络 (WSN) 是继因特网之后, 将对 21 世纪人类生活方式产生重大影响的 IT 热点技术因特网改变了人与人之间交流沟通的方式无线传感器网络将改变人与自然交互的方式

7 世界范围内的研究热潮 99 年, 美国商业周刊 21 世纪最具影响的 21 项技术之一 03 年,MIT 技术评论改变世界的 10 大新技术之一 03 年, 美国商业周刊在其未来技术专版中指出, 全球未来的四大高技术产业之一, 将掀起新的产业浪潮

8 相关研究计划国外尤其是美国通过 NSF DARPA 等多种渠道投入巨资支持无线传感器网络技术的研究 WINS: 传感器网络设计的各个方面 Smart Dust : 体积不超过 1mm3 的节点 µamps: 节能自组织可重构 (LEACH) SensIT: 协作信息处理技术 SeaWeb: 水声通信 DADS Telesonar Sealan FRONT SBIRs Sublink 等

9 应用领域领域使命任务军事及反恐防爆友军兵力装备弹药调配监视 ; 战区监控 ; 敌方军力的侦察 ; 目标追踪 ; 战争损伤评估 ; 核生物和化学攻击的探测与侦察环境应用森林火灾的监测 ; 环境的生物复杂性映射 ; 洪水监测 ; 精密农业保健应用人体生理指标的远程监测 ; 医院内医生和患者的跟踪 ; 药物管理家庭应用家居自动化 ; 居住环境智能化其它商务应用汽车防盗 ; 交互式博物馆 ; 库存管理控制 ; 车辆跟踪与控制

10 无线传感器网络的军事应用

11 无线传感器网络的环境应用

12 无线传感器网络的家庭健康检测应用实现了以往无法实现的应用! 对领域有重要的推动作用!

13 无线传感器网络的主要研究进展平台与开发环境建设基础体系自组网方法分布式信息处理方法应用技术

14 传感网硬件平台

15 传感网软件平台 Tiny OS Scheduler + Graph of Components constrained two-level scheduling model: threads + events Component: Commands, Event Handlers Frame (storage) Tasks (concurrency) Constrained Storage Model frame per component, shared stack, no heap Very lean multithreading Efficient Layering application bit byte packet Route map router sensor appln Active Messages Radio Packet Serial Packet Temp photo Radio byte UART ADC RFM clocks SW HW

16 Self-Organizing Distributed Services User GUI Self-Organizing Sensor Application Systems Sensor Data Repository Manager Remote service execution Event notifications Service discovery Collaborative Signal Processing Database Server Group management Dataflow and group structure Group communication Group reconfiguration Distributed Sensor Query Processing Change detection Trigger management User-defined adaptation handler Configurable Distributed Services Distributed Lookup Service Distributed Composition Service Distributed Adaptation Service Publish/ Subscribe Publish/ Subscribe Publish/ Subscribe Dynamic Sensor Network Event-based Diffusion Networking Model

17 以数据为中心的自组网模式 Directed Diffusion: data dissemination and coordination paradigm developed for scalable sensor networks Application-specific in-network processing (e.g., aggregation, collaborative processing) to support long-lived, scalable, sensor networks Data-centric communication primitives organize system based on named data (not nodes) Supported with distributed algorithms using localized interactions diffuse requests and responses across network adapt to good path with gradient-based feedback naturally supports in-network aggregation of redundant/correlated detections

18 itinerary ID Mobile-Agent-based Collaborative Signal Processing Integration code buffer itinerary ID Integration itinerary code buffer ID Integration code buffer

19 定位通过 Radio 定位精度已经可以达到厘米级 Radiolocation via ToA and RSSI BS x 1 x 2 BS d 2 MS d 1 d 3 BS x 3

20 时间同步 Reference Broadcast Sync Sync 2 receivers with each other, NOT sender with receiver Sender Receiver Receiver NIC I saw it at t=4 NIC NIC I saw it at t=5 Propagation Time Physical Media

Ground Combat Center Twentynine Palms, CA 800 m 600 m 400 m 200 m Gateway/Imager RF

21 Autonomous, distributed ground sensors that track moving vehicles and transmit processed information to a base camp display SensIT Experiment - Marine Corps Air Ground Combat Center Twentynine Palms, CA 800 m 600 m 400 m 200 m Gateway/Imager RF Ethernet Intersection Total: 70 Nodes Base Camp East Training Area Prospect Intersection

22 d i g i t a l d i g i t a l d i g i t a l 无线传感器网络对工业自动化领域的影响工业通信技术的发展趋势是网络化和智能化控制器 4~20 ma 模拟信号量

23 布线成本是制约控制系统应用的瓶颈问题投资和使用成本过高,2001 年全球工业用传感器的市场份额是 110 亿美元, 而安装和使用成本 ( 主要是布线成本 ) 超过 1000 亿美元

24 无线技术的优势降低投资成本 ( 最高降低 90%); 降低使用成本 ; 灵活, 易于改造 ; 覆盖有线不可达的区域

25 工业无线技术美国能源部 (DoE) 在 2002 年发布的 Industrial Wireless Technology for the 21th Century 白皮书中首次提出了工业无线技术的概念新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术, 适合在恶劣的工业现场环境使用, 具有很强的抗干扰能力超低能耗实时通信等技术特征, 是一类特殊的传感器网络

26 基于工业无线的测控系统基于无线技术, 建立新型网络化测控系统, 通过对工业全流程的泛在感知, 实施优化控制, 来达到提高产品质量和节能降耗的目标

27 节能降耗的重要途径与手段新型网络化测控系统将提高产品质量, 提高控制水平 ; 降低工业生产过程中的浪费 ; 实现更加有效的设备状态监控, 降低设备运行错误 ; 通过状态监控, 提高设备的能源效率按年度分领域的节能效果预测

28 工业无线测控系统将在节能降耗中发挥重要作用美国总统科技顾问委员会在面向 21 世纪的联邦能源研究与发展规划中指出 : 工业无线技术的应用将使工业生产效率提高 10%, 并使排放和污染降低 25% DoE 将工业无线技术列为其以节能降耗为目标的未来工业计划的主要支撑技术之一

29 工业无线网络联盟美国能源部在 2004 年推动成立工业无线网络联盟, 致力于解决无线技术在工业控制领域应用的难点问题超过 200 家公司和科研机构参与

30 美国能源部计划 04 年设立的 10 个重点课题中 5 个与无线工业网络有关 Advanced Wireless Sensors for the Industries of the Future (Steel, Aluminum, Mining, Glass, Chemicals, Forest Products, Metal Casting, Petroleum Refining); Prime: ORNL Eaton Wireless Sensor Network for Advanced Energy Management Solutions (Steel, Aluminum, Mining, Glass, Chemicals, Forest Products, Metal Casting, Petroleum Refining); Prime: Eaton Distributed Wireless Multisensor Technologies -A Novel Approach to Reducing Motor Energy Usage (Steel, Aluminum, Mining, Glass, Chemicals, Forest Products, Metal Casting, Petroleum Refining); Prime: General Electric Global Research Wireless and Sensing Solutions Advancing Industrial Efficiency (Steel, Aluminum, Chemicals, Petroleum Refining); Prime: Honeywell International

31 欧洲工业无线计划制定了未来 10 年内无线技术在工业控制和自动化领域的发展应用计划 RUNES 计划 25 个组织参与

32 无线技术在工业现场应用面临的挑战 characteristic Data Speed Battery Life Deterministic Data Timing NEMA 4X Sensor and Network Diagnostic Family >50,000,00 0 bps 2 hours No No No Bluetooth 720,000 bps 3 days No No No Class I, Difficult Difficult Division 1 Zigbee 100,000 bps 6 months No No No Possible Industrial Wireless 3000 bps 5 years Yes Yes Yes Necessary

33 工业环境下的常见干扰 Microwave OFF Baseband TX sent: Baseband RX received: Microwave ON Baseband TX sent: Channel: 2.45GHz Modulation: FSK Symbol Rate: 20Kb/s Baseband RX received:

34 工业环境下多跳无线网络性能测试

35 工业环境下的链路状态变化造成多跳传输中的链路丢失问题

36 能耗分析 Power DC-DC Sensor ADC Memory Processor Antenna Radio CPU 和 Radio 是最主要的能耗部件 Radio 发射能耗 (0 dbm) 35% CPU 能耗 33% Radio 接收能耗 29% 传感器能耗 3%

37 对策分析抗干扰技术 DSSS 与 FHSS 相结合 Mesh 网络实时通信技术 TDMA 与 CSMA 相结合节能技术按需休眠机制

38 与工业应用相关的无线标准发展通信标准 ZigBee SP100 互操作标准 IEEE 应用标准 Wireless Hart Wireless FF

39 Zigbee 面向低能耗低速率通信市场六类应用 2004 年 12 月发布标准第一版 2006 年发布第二版

40 ISA SP100 SP100 是专门面向工业自动化应用的无线技术标准预计 2007 年发布标准第一版,2008 年进入 IEC 2006 年 7 月,SP100 分别针对控制类应用和监测类应用在世界范围内征集技术提案截止 2006 年 9 月, 提出提案的公司和科研机构来自 : 美国欧洲日本中国

41 SP100 组织结构

42 SP100.11a 网络拓扑结构

43 SP100.11a 协议栈结构

44 SP100 Schedule APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC JAN FEB MAR Baseline Set Principle of Operation TGs Resolutions Draft Std Editing WG Letter Ballot Comment Resolution Recirculation Comment Resolution Final Recirculation WG Meetings Karlsruhe SP100 Meetings Austin Vancouver Houston

45 IEEE 互操作标准实现 IEEE , Bluetooth, ZigBee 间的互操作

46 应用标准 Wireless FF 将 FF 的应用规范移植到 SP100 上 Wireless FF API Profibus Applica tion Network Star / Mesh / Cluster-Tree MAC SP100 PHY 868MHz / 915MHz / 2.4GHz

47 Wireless HART 2007 年 4 月发布了征求意见稿

48 无线技术的应用前景 On World 对未来 5 年工业无线产品的市场增长的预测 wireless sensor endpoint

49 行业应用前景 On World 预测未来无线技术应用增长最快的行业 : Oil and gas Water/wastewater Chemical/petrochemical Electric power Automotive

50 石油与天然气应用需求油井系统节能降低维修费用提高管理水平电机油 / 水泵的状态监控安全防盗

51 单油井现场控制

52 蒸汽注入监测远程无线接收器温度压力

53 覆盖采油区的无线网络

54 海上钻井平台监控

55 石化行业检测减压阀及止泻阀的泄漏情况欧洲主要的石化公司报告投资 :$3800 年收益 : $1,500,000

56 蒸汽疏水阀监测疏水阀故障率 15% 每 1000 英镑的蒸汽损失 $8 投资汇报率 0.7 年

57 储罐报警监测与精炼厂相邻的储罐区有过载的危险安装有线报警系统的成本超过 $500,000 无线报警系统的成本低于 $50,000, 每个储罐的安装时间低于 1 小时

58 污水处理环境限制, 难以布线利用无线技术实现对远程传感器信息的实时采集 The Orange County Water Reclamation, FL. 40-acre facility.

59 旋转设备监测大规模滚筒脱水过程高温热电偶温度控制对产品质量很关键高精度无线 RTD 测量精确的干燥温度

60 钢铁行业恶劣环境下的监测压力传感器对喷杆的水流进行监测

61 智能集装箱安全网络电子关封设备理中心阅读设备管手持设备出口商中国广州陆运深圳海关海运长滩海关陆运进口商美国纽约

62 电子关封 SS49E 霍尔传感器滤波处理比较器 433MHz 射频通信电路 SS49E 霍尔传感器 8 位数字电位器滤波处理单片机 ATMEGA128L 本地数据存储器蜂鸣器 /LED 报警电路电源及管理电路传感模块处理通信模块

63 温室环境监控由大量可监测空气温度空气湿度日照强度等环境参数的微传感器节点通过无线的方式互联构成的网络化系统, 对大型温室的环境进行自动监控

64 系统特点布设灵活方便, 工程成本低系统的鲁棒性高, 单个节点的损坏不会影响系统的正常运行, 空间分辨率高, 可实现高密度的精细环境参数监测易于使用和维护, 可以长期在无人值守的条件下运行

65 结束语无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑市场预测认为再过四五年, 即 2010 年前, 大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能无线传输不适用于高速控制的场合但是可预见的技术发展表明, 对大多数监控和慢速控制场合, 它足够可靠, 也就是说可以用在将近 80% 的自动化和过程控制场合适应工业应用要求的无线通信的标准正在制订过程中, 其发展和市场开发值得我们重视就目前的技术发展趋势, 无线通信将在较长的一段时间内与现有有线通信系统配合使用

untitled

untitled 1 2 3 4 5 A 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 10000 9500 9000 8500 8000 7500 7000 6500 6000 2006.1-2007.5 A 1986.1-1991.12 6 7 6 27 WIND A 52.67 2007 44 8 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 2001-05 2002-02