（机械电子工程专业论文）面向物联网的设备状态监测系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 物联网被誉为是继计算机、互联网之后的第三次信息科技革命浪潮，它可 以广泛应用到经济社会发展的各个领域，引发和带动生产力、生产方式和生活 方式的深刻变革，成为经济社会绿色、智能、可持续发展的关键基础和重要引 擎。 本文依据工业环境下的设备状态监测特点和应用需求，将射频识读写器和 无线传感器网络节点相融合，构建了一个面向物联网的设备状态监测系统。其 中，射频读写器作为无线传感器网络的一个特殊采集节点，首先对该读写器进 行了详细的硬件设计，选用上海华虹集成电路有限责任公司生产的s h c l l 0 2 为 电子标签芯片和s h c l 5 0 9 为射频读写芯片，设计了射频芯片的电源供应电路， 射频模块电路，读写器匹配天线电路等，选用a t 8 9 s 5 2 单片机为控制单元模块， 设计了该单片机对射频模块的控制电路，并对单片机与上位机之间的通信电路 进行了设计。其次，射频读写器作为无线传感器网络的一部分，研究了融合射 频读写器和无线传感器网络节点的数据管理，主要对射频数据和无线传感器数 据之间的数据融合进行研究，接着设计了一种融合射频读写器和无线传感器网 络节点的关系数据模型，并将该数据模型应用到设备的状态监测领域。 关键词：物联网；射频识别：无线传感器网络；读写器；数据管理 一 竖塑堕 a b s t r a c t t h ei n t e r n e to ft h i n g s ( i o t ) ，w h i c hi sk n o w na st h et h i r dw a v eo ft h eg l o b e i n f o r m a t i o ni n d u s t r 、，a f t e rt h ec o m p u t e ra n dt h ei n t e m e t ，c a i lb ew i d e l ya p p l i e dt o v a r i o u sf i e l d so fe c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，t r i g g e r i n ga n dd r i v i n gt h e p r o f o u n dc h a n g e si np r o d u c t i v i t y , p r o d u c t i o nm e t h o d sa n dl i f e s t y l e t h ei n t e m e to f t h i n g sb e c o m eak e yf o u n d a t i o na n da ni m p o r t a n te n g i n eo fe c o n o m i ca n ds o c i a l g r e e n ，s m a r t ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri n t e g r a t et h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nr e a d e ra n dt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kn o d e ，w h i c hi sb a s e do ne q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gf e a t u r e sa n d a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s i n t h ei n d u s t r ye n v i r o n m e n t s ，ae q u i p m e n tm o n i t o r i n g s y s t e mf o rt l l ei n t e m e to ft h i n g si sc o n s t r u c t e d a m o n gt h e m ，t h er fr e a d e ra sa s p e c i a lc o l l e c t i o nn o d ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，d e t a i l e dh a r d w a r es y s t e mo f t h e r e a d e ri sd e s i g n e d s h c110 2c o n t a c t l e s si cc h i po fs h a n g h a ih u ah o n gi n t e g r a t e d c i r c u i tc o ，l t di sc h o s e nf o re l e c t r o n i ct a gc h i pa n ds h c l5 0 9i sc h o s e nf o rr f i d r e a d e r w r i t ec h i p ，d e s i g nt h ep o w e rs u p p l yc i r c u i to ft h er fc h i p ，r fm o d u l ec i r c u i t a n dt h em a t c h i n ga n t e n n ac i r c u i to ft h er e a d e r a t 8 9 s 5 2m c ui sc h o s e nf o rc o n t r o l u n i tm o d u l e ，d e s i g nt h es i n g l e c h i pc o n t r o lc i r c u i to nt h er fm o d u l e ，a n dd e s i g nt h e c o m m u n i c a t i o nc i r c u i tb e t w e e nm c u a n dh o s tc o m p u t e r s e c o n d l y ，t h er fr e a d e ra s p a r to ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，r e s e a r c ht h ed a t am a n a g e m e n tw h i c hi n t e g r a t e t h er fr e a d e ra n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ，m a i n l yr e s e a r c ht h ed a t af u s i o n b e t w e e nr fd a t aa n dw i r e l e s ss e n s o rd a t a , a n dt h e nd e s i g nar e l a t i o n a ld a t am o d e l w h i c hi n t e g r a t et h er fr e a d e ra n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ，a n dt h ed a t am o d e l i sa p p l i e dt oe q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gf i e l d k e yw o r d s ：i o t ：r f i d ；w s n ；r e a d e r ；d a t am a n a g e m e n t i l 1 绪论 1绪论 1 1 课题的来源、研究背景及意义 1 1 1 课题的来源 1 、全矢谱技术及设备诊断工程应用研究，河南省杰出人才创新基金项目， 项目编号：0 6 2 1 0 0 0 5 0 0 ； 2 、旋转机械状态的全信息评价技术及其故障机理研究河南省高校青年骨 干教师资助项目：2 0 1 0 一g g j s 一0 2 0 ； 3 、基于全信息技术的设备状态评价关键技术研究河南省教育厅自然科学 研究计划项目：2 0 1 0 8 4 6 0 0 1 4 ； 4 、设备远程诊断技术及系列产品开发，河南省重大科技攻关项目 ( n o 0 1 2 2 0 2 2 0 0 0 ) ： 5 、基于网络的重大设备状态检测传感器及诊断系统设计制造技术，郑州市 重大科技专项( n o 0 8 2 z g 2 5 0 2 9 ) 。 1 1 2 课题的研究背景及意义 随着科学技术的迅猛发展，现代工业生产的机械设备正朝着高速化、自动 化及系统化方向发展，设备的生产效率越来越高，机械结构也日趋复杂，设备 中各个部件之间的相互联系、耦合也更加紧密，某个设备出现故障，将引起整 个生产流程的中断，这样不仅会给企业带来巨大的经济损失，甚至会造成人员 伤亡等重大安全事故。因此，设备的状态监测和故障诊断引起了广大科研人员 的关注和重视，随着科学技术的飞速发展，各种技术和理论不断应用到企业的 设备状态监测和故障诊断方面乜1 。通常情况下，设备的状态监测采用有线的监测 方式，即将传感器节点布置到监测设备的有力测量点上采集振动、噪声、温度、 湿度等数据口1 ，然后通过电缆线等有线通讯方式将采集到的这些数据传输到后端 的监控中心，进而实现对设备的状态监测。这种方案在实际的应用中存在大量 的弊端，比如在面对一些高温高热、环境复杂等特殊场合，往往会出现传感器 布线困难或者布线成本过高等问题，这些都限制了设备的数据信息采集和传输。 无线传感器网络技术作为物联网关键技术之一，它具有覆盖区域大、监测精度 1 绪论 高、部署速度快等优点，能够很好的解决了有线传输带来的一系列问题，并能 有效的监测设备状态信息而不影响企业的正常运转。将无线传感器网络技术应 用到设备的状态监测，国内外已经进行了大量的研究，并已经取得了一定的成 果。例如，为了监测设备的振动情况，i n t e l 公司曾经在芯片上安装了2 0 0 个传 感器节点，事实表明监测效果非常显著。虽然无线传感器网络技术在设备的故 障诊断方面已经取得了一定的成就，然而由于无线传感器网络数据采集节点的 能量是电池提供，一旦电池能量消耗殆尽，无线传感器网络节点就失去了工作 能力，电池的使用寿命决定网络的使用寿命，因此如何有效减少能量消耗就成 为无线传感器网络技术设计的关键；另一方面，无线传感器网络是以数据为中 心的网络，它获得的是整个事件的信息，而不关心具体节点的信息情况。r f i d 技术作为物联网关键技术之一，它在获得具体节点的信息方面有着得天独厚的 优势；另一方面，r f i d 可以从读写器天线产生的电磁场中获取能量。如果将r f i d 技术和w s n 技术相融合，构建面向物联网的设备状态监测系统，必将获得更加 全面的数据信息，同时提高监测设备数据的采集效率。本文将r f i d 读写器和w s n 节点相融合作为系统的数据采集前端，构建了一个面向物联网的设备状态监测 系统。 1 2 物联网概述 物联网是通过射频识别( r f i d ) 技术、红外传感器、全球定位系统( g p s ) 、 激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网 络4 。7 1 。 1 2 1 物联网国内外发展现状 目前，国外对物联网相关技术的研究和开发主要集中在少数发达国家。美 国是最早研究物联网相关技术的国家之一，早在1 9 9 8 年美国麻省理工学院就提 出了基于e p c 的物联网体系架构，对未来物联网的发展提供了强有力的推动作 用。2 0 0 9 年1 月在白宫举行的一次科技会议上，美国总统奥巴马对i b m 首席执 行官彭明盛提出的“智慧地球 这个物联网理念高度重视，承诺美国将加大新 兴技术的投资力度，保证美国在全球竞争中的技术和经济领先优势，并将“新 2 1 绪论 能源和“物联网”列为美国经济发展的两大武器。同时，物联网的相关产业 引起了美国工商界和全世界范围的广泛关注，认为物联网是世界信息产业的第 三次浪潮。为了确保欧洲在新技术领域的主导作用，欧盟也加大物联网研究和 投资力度。2 0 0 9 年6 月，欧盟委员会向欧盟议事会等提交了一份关于物联网的 具体研究内容方案欧盟物联网行动计划，该方案涉及物联网管理、隐私及数 据管理等1 4 项内容。同时，欧盟委员会还拿出3 亿欧元专款用来支持物联网的 相关项目合作建设，加大信息基础设施的建设力度。日本政府自2 0 世纪9 0 年 代中期以来相继制定了多项国家信息技术发展战略，希望以此来带动本国经济 和社会的全面发展。2 0 0 4 年日本信息通信主管机关提出“u j a p a n 战略，目标 将日本构建成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络 ， 2 0 0 9 年7 月日本i t 战略本部将“u - j a p a n 上升到“i - j a p a n 战略，致力于构 建一个融合机器人、纳米技术等众多高科技和新产品的物联网社会。韩国将物 联网市场定为经济增长的新动力，其发展历程类似于日本，韩国部署了u k o r e a 战略，并制定了详尽计划，确保韩国在信息时代的国家竞争力上处于第一阵营。 此外，法国、澳大利亚等国也在加大物联网发展战略部署力度。 我国在物联网相关技术上研究处于国际领先水平，在1 9 9 9 年就开始传感器 网络的相关研究。2 0 0 9 年1 1 月，无锡市国家传感器网络创新示范区正式获得国 家批准，该示范区的建立标志着我国从政府到地方都十分重视物联网的相关技 术研究和产业发展，并对其发展规划进行了大量的投资。同年1 1 月，温家宝总 理发表了题为让科技引领持续发展的讲话，该讲话指出快速发展的信息技 术是推动世界经济复苏的强大动力，并将物联网纳入信息发展的重要内容。同 时，我国的高校也加大对物联网的相关技术进行研究，2 0 0 9 年9 月，无锡市与 北京邮电大学签署有关物联网发展的合作协议，通过将研究的科研成果与企业 的发展紧密相结合，共同促进物联网的发展。 1 。2 2 物联网体系架构 根据网络内数据的流向及处理方式，物联网包括三层结构，如图1 1 所示， 分别是感知层、网络层和应用服务层阳叱0 j 。 1 绪论 政府应用类示范系统社会应用类示范系统 行业、企业应用示范类系统j 4 “界“ 信 息 的 应 处 用 应用资源共享平台 共性支撑平台 理 层 与 应 物理信息交换平台云计算平台高性能计算平台 用 网 ，、 信 络 ( 严五管理系统 互联网标识管理系统 ) 息 传 层 了 输 j 对。釉 感 信 知 层 息 感 知 图1 1 物联网体系结构 感知层 感知层主要包括二维码( 含i c 卡、磁卡、一维码等) 和识读器、r f i d 标签 和读写器、传感器网络等。感知层具有更敏感、更全面的感知能力，采集物理 世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、音频、视频数据，实现对物 体的感知与识别。 网络层 网络层通过现有互联网( 各种有线网络、w i f i 、m e s h ，尤其是i p v 6 网络) 、 4 1 绪论 广电网络、通信网络( 2 g 、3 6 等移动通信网络、卫星网) 等基础网络设施，对 来自感知层的信息进行接入和传输。网络层的功能就是实现更加广泛的互联功 能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠地、高安全地进行传送1 。网络层构 成了物联网的支点，所有的应用服务都是建立在网络层这个支点之上的。 应用服务层 应用服务层包括应用系统和共性支撑平台两部分，该层与行业的具体应用 有关，它是物联网项目的一个具体应用。共性支撑平台包括云计算平台、高性 能计算平台、物理信息交换平台等应用资源平台，应用系统包括政府应用系统、 企业应用系统等具体性的应用系统。在应用服务层，物联网技术与行业的专业 技术相结合，构建面向物联网的专业应用体系，对国民经济和社会发展具有重 要的影响。 1 2 3 物联网技术的应用 目前，国家正在大力推广工业化与信息化融合，物联网的应用和发展将是 这个大背景下信息发展的一个重要突破口，一旦物联网大规模普及，物联网将 会成为一个规模巨大的高科技市场，为社会的信息化发展起到极大的推动作用。 物联网用途非常广泛，几乎囊括了所有的行业领域，下面介绍其在具体应用领 域中的应用。 ( 1 ) 交通领域 通过使用不同的传感器和r f i d 可以对交通工具进行感知和定位，及时了解 车辆的运行状态和路线，方便地实现车辆通行费的支付，显著提高交通管理效 率，减少道路拥堵。上海浦东国际机场在地面、栅栏等地方安装了3 万多个传 感器节点，构建了一个防入侵物联网系统，该系统的建立有效的防止了人员的 翻越、恐怖袭击等破坏行为的发生n 别。 ( 2 ) 医疗领域 通过在病人身上放置各种不同的微型传感器，对人的健康参数进行实时监 控，及时获知病人的生理特征，医疗中心的相关医生根据获得的特征信息进行 分析诊断，提前做好预防准备，确保病人的健康安危；还可以通过r f i d 标识与 病人绑定，及时了解病人的病例以及各个时间段的病情变换情况。 ( 3 ) 工业应用 在设备的状态监测和故障诊断方面，可以通过部署安装在监测设备上的传 i 绪论 感器节点来实时监测设备状态运行情况，并将监测的数据传送到后台应用系统 进行分析诊断，确保设备的安全稳定运行，避免事故的发生。 ( 4 ) 农业应用 通过使用不同的传感器对农业情况进行探测，帮助人们进行精确管理或精 细农业生产。在畜牧溯源方面，可以通过在放养的牲畜上贴一个二维码来记录 该牲畜的成长历史，而消费者在购买该食品时可以通过贴的二维码来了解情况， 确保食品安全。 ( 5 ) 零售行业 如沃尔玛等大型零售企业要求他们采购的所有商品上都贴上r f i d 标签，以 替代传统的条形码，促进物流的信息化。 1 3 本文的研究内容及结构安排 本文以物联网应用为背景，构建了一个面向物联网的设备状态监测系统， 详细给出了该系统的特殊采集节点一读写器硬件系统设计方案，同时对该系统的 若干关键技术进行研究和设计。具体的论文结构安排如下： 第一章介绍了课题的来源、研究的背景及意义，物联网的体系结构，以及 物联网的应用和国内外发展现状。 第二章介绍了本论文研究应用到的物联网关键技术：射频设别技术和无线 传感器网络技术。一方面介绍了射频识别技术的系统组成，工作原理以及该技 术相比较其它识别技术的优缺点；另一方面介绍了无线传感器网络技术的系统 架构以及该系统的特点。 第三章分析了工业环境下的设备状态监测特点，结合物联网应用下的系统 基本特征和设计需求，提出了系统的总体结构设计方案，并详细阐述了该系统 的各个子功能特点。 第四章详细阐述了可应用于w s n 的r f i d 读写器硬件设计和实现，首先介绍 了读写器各硬件部分，其次给出了该读写器的各个电路组成设计，最后分析了 读写器和电子标签之间的通信传输方式。 第五章主要对融合r f i d 和w s n 的若干关键技术进行研究，首先分析了r f i d 和w s n 融合的几种类型，其次针对本文研究的r f i d 读写器和w s n 节点相融合的 体系架构，研究了两者之间的数据管理。 6 1 绪论 第六章总结了本论文的研究内容，并给出了论文的下一步工作方向。 2 物联网关键技术 2 物联网关键技术 物联网不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用， 实现全新的通信模式转变n 引，同时，在对这些技术进行交叉融合运用的过程中， 产生一些新的技术和方法。整个物联网系统简单点说主要分为信息的采集、传 输和处理三大环节，其中最基础也是重要的是系统底层信息的采集技术上，这 些技术包括射频识别( r f i d ) 、无线传感器网络( w s n ) 等，他们分别实现了对物 品静态属性或者动态属性的实时获取。 2 1r fld 技术介绍 射频识别( r f i d ) 是利用射频信号，通过空间耦合原理来实现对标识目标对 象的无接触识别和数据信息的获取n 引。 2 1 1r fid 系统的组成 r f i d 系统由三部分组成，如图2 1 所示，包括r f i d 标签、读写器和天线。 渤一 黝 豳一 曼国 忪一两 即i d 标签肝嚣誊及 控制器即i d 标签 读写器 控制器 图2 1r f i d 系统基本组成 r f i d 标签 r f i d 标签是r f i d 系统中数据信息的载体，通常贴在被识别物体的上面或嵌 入在物体的内部，存储物体的相关数据信息，可以通过读写器对标签中的数据 信息进行读写等操作。电子标签根据能量获取的方式不同，可以分为有源标签 和无源标签两种n 别。有源标签需要电池的供给，其读写距离较无源标签要远， 但其成本也较高，且由于标签自带电池其体积也较大。无源标签较有源标签， 其读写距离要近很多，但是其体积小、成本低、使用寿命长，而且还可以根据 2 物联网关键技术 具体应用场合的需求做成各种形状和体积。电子标签根据能量使用的方式不同， 又可以分为主动式标签和被动式标签n 刷。主动式标签读写距离可高达3 0 m 以上、 具有更大的内存，能够存储更多的数据、某些情况下还可以不需要读写器就可 以独立工作等优点，缺点是成本过高、电池寿命有限且电池对环境的要求较高。 被动式标签具有尺寸小、重量轻、价格便宜、使用寿命长等优点，缺点是必须 要求有读写器的配合使用，且读写距离很小，只有0 5 - - 一6 m 左右。 读写器 读写器又称为阅读器，它是r f i d 系统中最重要的构件之一，主要用来负责 读取和写入电子标签的数据信息。读写器的主要功能如下n7 1 ： 读写器可以通过标准接口如r s - 2 3 2 实现与上位机之间的网络通信； 读写器具有防碰撞功能，能够识别和区分读写区域的多标签信息； 读写器可以对固定对象和移动对象进行识别； 读写器对电子标签的读写行为均是由应用系统的软件来控制的，该软件的 主要功能如下： 选择工作模式，控制系统进行通信，完成数据的交互传输等功能； 控制信号的发送，对接收和发送的模拟信号进行解码和翻译操作等； 向系统中导入运行程序； 天线 r f i d 系统中的天线主要有两种：一种是电子标签上的天线，一种是读写器 上的天线。读写器上的天线用来发送数据和接受电子标签返回的数据信息，电 子标签上的天线用来接受读写器上的数据信息，并将磁场能转换为电能，为标 签芯片供电。对于电子标签上的天线，主要有线圈天线、偶极子天线、微带 贴片天线3 种基本形式n 引。线圈天线工艺比较简单、成本也较低，主要应用在 读写距离小于1 m 的中、低频段；偶极子天线和微带贴片天线主要应用读写距离 大于1 m 的高频及微波频段。 2 1 2r f ld 系统工作原理 图2 2 为r f i d 系统工作原理示意图。电子标签、读写器和天线三者协同工 作，完成r f i d 标签的识别。 9 2 物联网关键技术 读写器 能量 标 签 时钟 数据输 电源 入 能量 数据输 时钟 出 射 控 存 射 时钟 储 数据 频 天 器 天 频制 ，一、 输入 、 读 模 数据 模模 输入 写 块线 线 块块 模数据 4 - - - - 块 输出八数据 输“ + i i l 图2 2r f i i ) 基本工作原理 r f i d 系统的基本工作原理是：当r f i d 标签作用在读写器的有效读写范围内 时，电子标签内置天线开始产生一定量的感应电流；读写器通过发送天线向r f i d 标签发送射频信号，电子标签通过感应电流产生的能量对发送的射频信号进行 响应；读写器的接受天线接受来自电子标签发送来的信号，并对接受的信号进 行处理，然后将处理后的有效信息发送到后台的应用服务系统中去；后台应用 系统根据逻辑运算识别该标签的身份信息，针对不同的设定做出相应的处理和 控制，最终实现对读写器的读写控制操作。 2 1 3r fid 技术的特点 r f i d 技术和其他识别技术相比，具有如下特点心屹3 1 ： 存储的信息量非常大； 具有非接触性，因此识别工作无需人工干预，可实现自动化； 信息处理速度非常快，在某些应用场合可达几十微秒； 1 0 2 物联阚关键技术 保密性高，未经允许几乎不能复制和修改数据； 可以满足多用途要求，多目标识别和运动日标识剐； 采用无线电，可以透过外部材料读取数据； 具有很强的环境适应性，抗干扰能力强，可以在全天候下使用，几乎不受 环境与潮湿的影响，同时还避免了机械磨损。 2 。2 无线传感器网络技术 誓箬炎勃联瓣最萋要鲍基础支撑技术之一，茺线传感器潮终作必一种薪型的 鬻络技术褥裂广泛的关注。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网终 及无线通信技术、分布式蕊患处理技术等多群技术，能够通过各类集成讫的微 型传感器节点协作完成监测、感知帮采集备释环境信息或被监测对象能镶息， 并对信息进行处理，可以遴过隧规自组织无线通信鼷络戬多跳中继方式将感知 的髂意传送裂用户终溃涵】。 2 2 。 无线传感器网络系统架构 无线袭感器网络豹系统架构如图骈示，递常包含转感器节点( s e n s o r 节点) 、 汇聚节点( s i n k 节点) 以及互联网或通信卫星和管理节点等托引。 图2 。3 薏线传感器网络豹系统架构 在醋中，大量传感器节点部署在监测范围内，传感器节点俸为信息的采集 前端采集到大量的数据信息，将这些信息通过w s n 网络传输剃汇聚节点，然后 经过互联网等通信网络传输到终端用户的管理节点。 2 物联网关键技术 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，具有感知物理环境数据和处理 数据的能力，但它的存储能力、通信能力和处理能力相对都较弱。常见的传感 器采集节点一般都采用干电池来供电，所以通常传感器节点的电源能量是十分 有限的。从网络功能来看，每个传感器节点不仅要对本地的数据进行采集和处 理，还要对其他节点传送过来的数据进行必要的处理，比如数据的存储、融合 等。网络中传感器节点的地位相同，各个节点之间可独立采集相关信息，并可 通过传感器节点间的相互通信共享彼此之间的信息。 汇聚节点是传感器网络中的网关设备，其处理能力、存储能力和通信能力 比传感器节点强，没有感知能力，但一般有充足、稳定的固定电源为其供电。 汇聚节点通过无线方式连接传感器网络，通过有线或具有可靠通信质量的无线 接入网络与i n t e r n e t 等外部网络通信，可以实现两种通信协议栈之间的通信协 议转换，充当基站管理设备和传感器网络之间的通信员。 管理节点一般即为普通的计算机系统，充当无线传感器网络服务器的角色， 通过与传感器汇聚节点的信息传递来监控整个网络的数据和状态。 2 2 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络同传统的白组织网络一样，都具有分布式控制、无中心和 多跳传输等特点，但它又区别于传统的无线自组织网络，具有自己独有的特点 2 e r 2 8 o ( 1 ) 节点数量大 由于单个传感器节点的能力有限，为了获得可靠的数据信息，通常无线传 感器网络都部署大量的传感器节点。一方面通过大量节点的综合信息来获得可 靠的源数据信息，另一方通过节点的多跳传输来实现网络数据的传输。 ( 2 ) 节点具有数据融合能力。由于传感器节点数目巨大，很多节点会采集 到相同类型的数据，为了减少网络能量消耗，减少冗余数据，同时延长网络寿 命，通常要求其中的一些节点具有数据融合的能力。 ( 3 ) 节点能力有限 电源能量有限。无线传感器网络中电池的寿命决定着整个网络的工作寿 命，而一般网络均采用干电池来供电，因此在软硬件设计时，要尽可能节省能 量。 计算和存储能力有限。无线传感器网络的电池能量有限，因此对整个网 1 2 2 物联网_ 关键技术 络的功耗要求较高，这就决定了传感器节点的处理器处理能力较弱，存储容量 较小。 通信范围有限。无线传感器网络利用节点的逐层传递来实现数据的采集 和管理工作，各节点的处理器能力有限，因此网络的通信范围也有限，通常只 有几十米。 ( 4 ) 可靠性 通常传感器节点的部署是一次性的，从传感器节点的部署到节点失去工作 能力中间不会对节点进行保养维护等措施，因此要求节点必须具有高的可靠性 来适应各种环境情况的变化。 ( 5 ) 自组织网络 通常无线传感器网络所处的物理环境及网络自身具有很多不可预测的因 素，比如网络中新节点的加入等，这些都要求无线传感器网络具有自组织的能 力，可以在任何时刻快速的自动组织网络进行配置和管理来保证整个网络的正 常工作，且整个过程不需要人工的参与。 ( 6 ) 以数据为中心 在无线传感器网络中，由于传感器节点是随机部署，构成的传感器网络与 节点编号之间没有必然的联系，节点编号也跟节点位置之间也没有联系，用户 在使用无线传感器网络查询事件时，依靠网络中的各个节点之间相互协同工作， 通过数据融合提取出有用信息来获得整个事件的信息，而不是获得某个确定编 号的节点信息。在无线传感器网络中，这种以数据本身作为查询和传输的方式， 通常被称为以数据为中心的网络。 3 面向物联网的没各状态监测系统总体设计 3 面向物联网的设备状态监测系统总体设计 随着物联网技术的发展和推广，它必将在工业领域得到广泛的应用。在工 业企业中，完备的设备状态监测系统对于企业减少损失具有重要的作用。本章 以物联网在工业中的应用为研究背景，针对机械设备状态监测的特点，构建面 向物联网的设备状态监测系统。 3 1工业设备状态监测的特点 工业环境状态下的设备监测具有如下特点睁卜3 3 j ： ( 1 ) 工业环境较为复杂，而且有些监测点的环境比较恶劣，对人的身体有 伤害或者根本不允许人员靠近。在这种情况下，工作人员就不能经常的对现场 数据采集装置进行维护或替换。 ( 2 ) 监测点的数量较多。由于现代工业自动化的程度越来越高，工厂里的 设备也在向大型化和高度复杂化的趋势发展，所以需要进行状态监测的测点数 量就越来越多，如一个大型的发电机组的监测点大约有3 0 0 0 个，一条钢铁生产 线的监测点大约有2 0 0 0 0 个。 ( 3 ) 监测点的位置较为固定，设备的分布同时具有分散性和集中性的特征。 工厂中的设备绝大部分是固定在地面上的，经常移动的部分很少，所以监测点 的位置一般是静态不变的。设备分布的分散性主要表现在设备在宏观上是分散 安装的，一个机组与另一个机组间会保持相当的空间距离。它的集中性主要表 现在局部方面，在一个机组内部，机器设备安装的密度较高，监测点的密度也 就较高。 ( 4 ) 数据信息长度短，数据量较少，周期性信息较多。监测的数据主要是 与温度、压力和峰值振动量等物理量相关的，数据长度通常只有几个或几十个 字节，网络吞吐量要求不高。在设备状态监测系统中，数据绝大部分是周期性 的测量数据，只有少量非周期的报警信息。 3 2 系统设计要求 影响一个设备状态监测系统设计的因素有很多，在构建面向机械设备状态 1 4 3 面向物联网的设备状态监测系统总体设计 监测的物联网系统时应满足以下要求： ( 1 ) 监测全面准确：由于工厂里的设备向着大型化和复杂化方向发展，一 个设备出现故障就会导致整个环节都无法有效运转，因此系统不仅要有效监测 设备的运行状态同时还要知道是哪个设备出现问题； ( 2 ) 系统可靠性高：监测的机械设备大多都处于高速运转状态，一旦设备出 现故障，就有可能导致重大财产损失和人员伤亡； ( 3 ) 监测和传输节点小型化：由于机械设备的复杂性，为了不影响设备的正 常运转，要求系统监测节点体积不能太大，便于安装，并且具有良好的防水性、 防震性，保证能够在车间长时间稳定工作； ( 4 ) 响应用户数据查询。在周期性循环传送数据的情况下，用户( 或基站) 可查询某些特定节点的数据来估计特定装备或子系统的现有状态，因此需要无 线传感器网络具备终端周期循环，供用户查询的能力； ( 5 ) 信号处理和故障检测，节点具备一定的信号处理能力，仅将处理后的特 征数据循环发送到基站，当检测故障时，节点能中断循环以发送紧急报警情况； ( 6 ) 完整的数据传输，对运行设备的状态特征数据进行完整和周期性的传 输； ( 7 ) 系统成本低； 3 面向物联网的设备状态监测系统总体设计 3 3 系统总体结构 应用服务层 网络层 感知层 张髓矗醮矬辽骼胜卤黝滋黝 围围围 监测设备监测设备 监测设备 图3 1 系统总体结构设计 面向物联网的设备状态监测系统结构如图3 1 所示。该系统架构可分为感 知层、网络层和应用服务层三层。感知层：包括各种信息传感设备和智能感 知系统。通过射频识别( r f i d ) 和无线传感器网络( w s n ) 技术相融合对设备r f i d 电子标签信息、振动信息( 位移、速度、加速度信息) 等进行采集，并形成一 个信息网络终端：网络层：主要实现信息的传递、路由和控制，包括接入网 和核心网，由g p r s 网络辅以i n t e r n e t 互联网组成，实现感知层各类机组设备 信息的广域或局部范围内的信息传递；应用服务层：由数据库服务器、w e b 服 1 6 3 面向物联网的设备状态监测系统总体设计 务器、通信服务器等构成。数据库服务器完成设备运行数据存储、故障案例存 储以及其它管理信息存贮等功能；通信服务器完成与网关节点进行g p r s 通信， 实现数据的传输以及将数据连接到i n t e r n e t 实现信息共享；w e b 服务器主要完 成应用系统发布、故障诊断推理及识别、报表生成、信息管理等功能。 3 4 各子系统功能 3 4 1 数据采集子系统 图3 2 物联网数据采集前端结构图 对于设备的状态监测系统而言，最重要的就是数据采集前端的设备部署， 本文研究的数据采集子系统，数据采集前端采用r f i d 读写器和w s n 节点相融合 的体系架构，具体结构如图3 2 所示。r f i d 读写器采集的射频数据和无线传感 器网络采集到的振动数据在主控制融合后经w s n 网络传输到后台的监测管理中 心，该采集装置能够获得更加全面的数据信息。该采集装置的主要功能如下： ( 1 ) r f i d 读写器采集设备的e p c 信息，振动传感器采集设备的振动信息，并 将采集到的两种不同数据信息传输到主控制器中； ( 2 ) 主控制器对采集到的数据信息进行融合、存储等处理操作，然后将处理 后的数据传输到g p r s 网络中； 3 4 2g p r s 传输子系统 g p r s 传输子系统主要是通过在智能基站处增加g p r s 传输模块和在后台监控 端安置g p r s 模块，利用现有的g p r s 网络来实现现场的数据采集和后台的实时 数据分析监控。g p r s 网络性能较为完善，信号覆盖范围广。利用g p r s 传输数据 1 7 3 面向物联网的设备状态监测系统总体设计 具有以下显著优势侧： g p r s 网络本身数据纠错能力较强，能够保证数据传输的实时性和可靠 性； g p r s 传输速率高，可以满足用户正常应用需求； 永远在线，接入时间短。用户可以随时与无线网络保持连接，这将使访 问服务变得非常简单、快速。g p r s 在充分利用现有6 s m 网络的基础上，通过添 加g g s n 和s g s n 实现数据的分组传输，实现了g p r s 网络与i n t e r n e t 的无缝连 接，完成远程计算机对现场信息的精确监控。 3 4 3 设备状态监测子系统 设备的状态监测系统是基于云计算的开发平台来构建的应用系统。该系统 主要具有以下功能： ( 1 ) 数据实时显示：基于云计算平台的设备状态监测系统采用图形化的管理 界面，将从数据采集前段采集到的数据数据信息实时显示在监控界面上，设备 管理人员可以通过该页面看到反应该设备状态信息的多种参数，方便设备管理 人员的实时管理。 ( 2 ) 诊断全面可靠：基于云计算平台的设备状态监测系统具有全面可靠的故 障诊断分析方法，不仅仅提供波形分析、频谱分析等常规分析，同时还能对采 集的数据进行全矢谱、全息普、倒频谱等多种故障诊断分析。 ( 3 ) 故障记录和查询：基于云计算平台的设备状态监测系统通过将监测到的 数据写入到数据库中，当设备管理人员想知道设备的历史运行状态和故障信息 时，可以通过监测系统查询到相关的数据信息，比如，某时间段发生故障的设 备，某设备发生故障的原因等。 4 融合w s n 的r f i d 读写器硬件设计 4 融合w s n 的r f id 读写器硬件设计 本文研究的面向物联网的设备状态监测系统数据采集前端采用r f i d 读写器 和w s n 节点相融合的体系架构，其中，r f i d 读写器作为w s n 网络的一个特殊采 集节点部分，构建可应用与无线传感器网络的r f i d 读写器至关重要。 4 1读写器总体结构 r f i d 系统根据使用频段不同，读写器读取的距离也有区别，根据本系统的 研究需求，本文研究的r f i d 系统为1 3 5 6 m h z 的射频系统。r f i d 电子标签芯片 采用我国上海华虹集成电路有限公司开发生产的s h c l l 0 2 非接触式i c 卡芯片。 读写器芯片选择与该芯片对应的公司开发的s h c l 5 0 9 读写芯片，该芯片支持在 1 3 5 6 m h z 下已有的各种通讯协议标准，支持i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 各个层次协议，支 持m i f a r e 高速无线通讯。读写器控制单元选用a t m e l 公司生产的低功耗、高性 能的c m o s 8 位微处理器a t 8 9 s 5 2 ，该单片机拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程 的f l a s h ，完全可以满足s h c l 5 0 9 读写芯片的程序写入。系统的总体结构图如图 4 1 所示。 图4 1r f i d 读写器结构图 4 1 1工作频率的选择 对于一个r f i d 系统而言，工作频率不同，系统各方面的应用也会有很大的 差别。当前r f i d 工作频率有3 个范围：低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 一- , 3 0 m h z ) 4 融合w s n 的r f i d 读写器硬件设计 和超高频( 3 0 0 m h z - - 3 g h z ) h 。一般情况下，低频都采用被动式的电子标签， 利用电感耦合来作为能量的供给和数据的传输，低频具有在除金属以外的其他 任何材料之间进行数据传输而不影响读写距离等优点，但是其读写距离较短， 不具备抗冲突性能。常用的低频规格主要为1 2 5 k h z 、1 3 5 k h z 等；高频多以被 动式标签为主。和低频相较，它具有更高的能量和读写距离，传输速度也较快， 且能同时读取多个标签，具有防冲突机制。常见的高频规格主要为1 3 5 6 m h z ， 目前该频段技术最为成熟，读写设备的价格也较低，产品也最丰富，存储容量 从1 2 8 位到8 k 以上个字节都有，而且可以支持很高的安全特性；超高频采用电 磁波的方式进行能量的供给和数据传输，在该频段范围内，主动式标签和被动 式标签都有广泛应用。高频频段数据传输速度相对较高，通信质量也较好，可 以在很短的时间内读取大量的标签信息，但是该频段的电波易受障碍物的影响， 对于很多材料电波都无法通过，比如水、灰尘等。对于本文研究构建r f i d 读写 器和w s n 节点相融合的体系架构，目前e p c g l o b a l 规定用于e p c 的载波频率为 1 3 5 6 m h z 和8 6 0 , - - 一9 6 0 m h z 两个频段，其中1 3 5 6 m h z 频率采用的标准原型是 i s 0 i e c l 5 6 9 3 ，已经收入到i s 0 i e c l 8 0 0 0 - 3 中，这个频点的应用已经非常成熟 h 2 l 。本文研究读写器频率为1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统。 4 1 2 标签芯片的选择 r f i d 电子标签芯片采用上海华虹集成电路有限公司开发生产的s h c l l 0 2 h 刘 非接触式i c 卡芯片。该芯片由射频电路、控制逻辑、e e p r o m 接口和小容量e e p r o m 组成，是非接触式i c 卡芯片系列中面向中端应用的产品。它能够使用小型天线 完成与读写终端之间的射频通信，其技术和测试标准符合非接触式卡的国际标 准，具有非常强的经济性和可靠性。 s h c i1 0 2 是上海华虹集成电路有限责任公司的非接触式i c 卡芯片系列产品 之一，其内部结构主要由模拟部分、数字部分和e e p r o m 存贮单元电路三个部分 组成。其具体结构如图4 2 所示。 2 0 4 融合w s n 的r f i d 读写器硬件设计 s h c l l 0 2 内部结构 模拟部分数字部分 e e p r o m 部分 整流稳压 通讯模块编码解码 存 储 调制解调时钟控制 加解密区 存储区 接 上电复位 控制模块fl 认证权限 口 图4 2s h c l l 0 2 内部结构图 模拟部分主要有四个功能：一是给s h c l l 0 2 芯片内部各部分电路提供工作 时所需要的能量，通过电源产生电路完成；二是从载波中提取电路正常工作时 需要的时钟，由时钟恢复电路完成；三是对进出s h c l l 0 2 芯片的数据进行调制 解调，由数据调制解调电路完成；四是上电复位由复位电路完成。数字部分由 主控制模块、通讯模块、信息安全模块等部分组成。各模块在主控制模块的控 制下对读卡器的指令进行响应。e e p r o m 存贮单元电路用来存储关键数据，它通 过e e p r o m 接口电路与数字部分进行通讯，为数字部分提供必要的数据或数据读 写指令执行的结果。由于e e p r o m 存贮单元在写操作时需要高压，因此e e p r o m 存贮单元电路内含高压产生和控制电路。 s h c l1 0 2 芯片主要特征： 存贮容量：5 1 2b i t s 通信速率：1 0 6 kb p s 调制方式：i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 工作温度：- 2 0 至8 0 无电池：无线方式传递数据和能量