2004 年,，BP 開始接觸一種名為‘塵埃’（Mote ）的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。這個(gè)2 x 2 英寸大小的裝置包括一個(gè)處理器,、一塊長(zhǎng)久非易失的儲(chǔ)存器,、一個(gè)無線通訊模塊和一個(gè)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?yàn)室用于研究機(jī)構(gòu)，但工業(yè)界仍對(duì)此持有觀望的態(tài)度,。當(dāng)時(shí),，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。

圖1,、圖2  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(xiàng)新技術(shù)時(shí)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(jì)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(chǎng)這樣的金屬設(shè)備遍布且高溫,、高頻震動(dòng)的環(huán)境中；Mote 在包裝后能不能在這樣的環(huán)境中正常運(yùn)行,。驗(yàn)證這種想法的途徑就是測(cè)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(duì)Mote 的測(cè)試和評(píng)估,，但是并沒有停滯在這個(gè)階段,。事實(shí)上這個(gè)工程的目的是開發(fā)一個(gè)能夠應(yīng)用在BP 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(gè)工程的每個(gè)階段我們都會(huì)遇到一些困難,，但我們都已一一將其克服,。

    BP 的個(gè)困難是決定在什么地方實(shí)施這個(gè)工程。BP 的大多工程實(shí)施的都要求使用安全的設(shè)備,。為測(cè)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(gè)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(zhǎng),、132,000 噸重，往返于Schiehallion 儲(chǔ)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(dòng)機(jī),、發(fā)電機(jī)和推進(jìn)機(jī)的強(qiáng)烈震動(dòng)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(yùn)輸部門都對(duì)這個(gè)試驗(yàn)計(jì)劃非常關(guān)注,。“如果要在Loch Rannoch 油船上做試驗(yàn),，我希望可以獲得更多的實(shí)際價(jià)值，而不僅僅是一次測(cè)試Mote 能否互相通訊的試驗(yàn),。”Cassar 還指出：“BP 運(yùn)輸部門非常希望能夠采集到引擎室攪拌機(jī)的震動(dòng)數(shù)據(jù),。”

系統(tǒng)介紹 

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

    “震動(dòng)信息可以幫助預(yù)測(cè)機(jī)器的磨損狀況并預(yù)知何時(shí)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(tái)機(jī)器失去平衡。它能把你從每500 小時(shí)一次的定期維護(hù)工作中解脫出來,，只有在需要的時(shí)候才做必要的維護(hù),。”

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

    圖表3 Loch Rannoch 工程的預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)引擎室內(nèi)的泵和馬達(dá)的工作狀態(tài),。這些機(jī)械設(shè)備被安裝了大約150 個(gè)加速度器。加速度器探測(cè)出的震動(dòng)數(shù)據(jù)用于評(píng)估當(dāng)前的操作環(huán)境,。當(dāng)磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),，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(gè)Mote 構(gòu)成了一個(gè)由網(wǎng)關(guān)控制的子網(wǎng),。Mote 通過IEEE 802.15.4 的直接擴(kuò)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(guó)政府的限制，工作頻段被調(diào)整到英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的868MHz ,。然而系統(tǒng)的工作頻段是可調(diào)的,，但對(duì)于工作于環(huán)境極為重要。因?yàn)楦鲊?guó)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(gè)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(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器,。每個(gè)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(shí)，仍能夠采集并暫時(shí)儲(chǔ)存來自Mote 的數(shù)據(jù),。

問題與解決方案 （多方面因素 ）

    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(shí)施前解決,。船體的金屬構(gòu)架和密集的機(jī)械設(shè)備使引擎室射頻傳輸?shù)目赡苄晕⒑跗湮ⅰ?ldquo;金屬是射頻能量的一個(gè)強(qiáng)大的反射體，”Crossbow 科技公司應(yīng)用工程師John Suh 指出,。“金屬對(duì)射頻信號(hào)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(gè)問題就是建立一個(gè)mesh 網(wǎng)絡(luò),。在這種網(wǎng)絡(luò)中,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與其相鄰節(jié)點(diǎn)通訊。節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)將被相鄰節(jié)點(diǎn)一次次的轉(zhuǎn)發(fā)直到這些數(shù)據(jù)到達(dá)一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)十分可靠,。一旦一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)效，其他節(jié)點(diǎn)仍能夠直接的，或通過一個(gè)或幾個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)相互通信,。

    “不同于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，mesh 網(wǎng)絡(luò)提供大量的不同路由,，”BP 公司的Cassar 說,。“每個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同其他節(jié)點(diǎn)都能探測(cè)到任何角落的信息，這種功能是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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,。”

 設(shè)備安全性 

    另外一個(gè)與環(huán)境相關(guān)的問題是設(shè)計(jì)一個(gè)能裝載Mote 和電池的安全性較高的外殼。Crossbow 在這個(gè)階段的另一個(gè)任務(wù)是開發(fā)一套適合BP 設(shè)備的商用系統(tǒng),。“我們充分學(xué)習(xí)了封裝技術(shù),，并且設(shè)計(jì)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。”Suh 說,。

如何處理所有數(shù)據(jù) 

    在項(xiàng)目的后階段,，項(xiàng)目組又面臨一個(gè)嚴(yán)峻的問題，那就是要想準(zhǔn)確地確定機(jī)械問題的所在,，必須獲取大量的震動(dòng)數(shù)據(jù)并對(duì)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?cái)?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(shí)，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(shí),，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的傳感器會(huì)有不同的數(shù)據(jù)帶寬范圍要求,。”Crossbow 的Suh 說，“在一些實(shí)際應(yīng)用中,，你可能需要通過一個(gè)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(gè)項(xiàng)目中,，我們使用了高帶寬的震動(dòng)傳感器,。我們決定采用比8 位處理器能力更強(qiáng)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(qiáng)了Mote 的處理性能,。“典型的是你可以在Mote 上作FFT 和其它計(jì)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,，“為了做一些更的處理,，我們從Rockwell 獲得了使用其接口IP 知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的許可，并將其在本領(lǐng)域的許多經(jīng)驗(yàn)算法移植到Mote 上，使Mote 更好地實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象和檢索的基于XML 的數(shù)據(jù)系統(tǒng),。”Kling 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(gè)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IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，并在Mote 上實(shí)施能量的安全管理模式,。

    此外,，對(duì)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,。“我們減少無線傳輸量,，”Cassar 說，“射頻組件會(huì)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(xiàng)任務(wù)是電能的獲取,。“我們?cè)贚och Rannoch 上測(cè)試的另一項(xiàng)技術(shù)是獲取機(jī)械的振動(dòng)產(chǎn)生的能量,，從而把動(dòng)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(yàn)是否可以*支持Mote 工作。另一種是用可充電的大容量電容器作為儲(chǔ)存媒介,。我們認(rèn)識(shí)Mote 的能量獲取方式在這個(gè)項(xiàng)目中扮演著重要角色,。”

試驗(yàn)結(jié)果

    Loch Rannoch 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一套用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)維修的自動(dòng)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(dòng)機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),，并同時(shí)檢測(cè)一個(gè)加速度讀數(shù),。”Cassar 說，“以前對(duì)于每臺(tái)機(jī)器，操作員記錄測(cè)量?jī)x器的位置并測(cè)量幾秒鐘的數(shù)據(jù),。這是一個(gè)非常乏味的工作,，但必須每六到八周，做一次,，有時(shí)會(huì)更久些,。然而他們每次采集到的數(shù)據(jù)其實(shí)是十分少的，因?yàn)橐荒瓴艓状尾杉瘮?shù)據(jù),。我們現(xiàn)在將網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為每18 小時(shí)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(cè)設(shè)備,，而是每18 小時(shí)自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù),。”

    從Loch Rannoch 項(xiàng)目中獲得的其它經(jīng)驗(yàn)：

• 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,。
• *的平臺(tái)能很好地配合這種特殊的應(yīng)用，因?yàn)橥ㄟ^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,。

詳情點(diǎn)擊：無線傳感器在船只機(jī)械監(jiān)控的應(yīng)用