發布日期：2022-05-11 點擊率：34
2004 年，BP 開始接觸一種名為‘塵埃’（Mote ）的無線網絡技術。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絡中，并將數據傳輸至終端設備。這些Mote 通常被學術界或實驗室用于研究機構，但工業界仍對此持有觀望的態度。當時，并未有任何一家公司生產無線傳感器網絡的商業產品。
圖1、圖2 BP Loch Rannoch 油船
BP 數字通訊技術部門總監Harry Cassar 說：“當我們初次接觸這項新技術時就在考慮它是否能工作在我們的環境中。這些Mote 看起來是設計精密且幾乎沒有保護外殼的電路板。我們想知道它是否能被放置在如精煉場這樣的金屬設備遍布且高溫、高頻震動的環境中；Mote 在包裝后能不能在這樣的環境中正常運行。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一個能夠應用在BP 全球工業生產中的一套商用無線傳感器網絡系統。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備。為測試這種沒有認證的無線網絡技術，BP 需要找到一個安全需求較低的苛刻環境。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 地區的石油處理站的油船——Loch Rannoch 。
這艘油輪的金屬設備比精煉廠的金屬設備還多，因此這里的射頻環境更加惡劣和復雜。不僅如此，油船的船艙都是通過金屬水密門封閉。此外，來自發動機、發電機和推進機的強烈震動以及引擎室內80°F 到100°F 的高溫，都將是Mote 正常工作的不良因素。
BP 的主要技術部門與BP 運輸部門都對這個試驗計劃非常關注。“如果要在Loch 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。”Cassar 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據。”
系統介紹
此項BP 的計劃是建立一套預測維護系統用來監視如馬達、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。通過震動信息來監測系統的工作狀態，當磨損或撕裂現象出現時則通過無線通信發送警告。
“震動信息可以幫助預測機器的磨損狀況并預知何時需要進行維護，”Cassar 指出“該系統可以告訴你主軸發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工作中解脫出來，只有在需要的時候才做必要的維護。”
基于150 個Rochwell 的加速度計，我們構建了整個測量系統。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測機器轉動和提供角度相位的轉速計。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 一次可以驅動10 個傳感器，盡管BP 沒有全都用到。
圖表3 Loch Rannoch 工程的預測維護系統監測引擎室內的泵和馬達的工作狀態。這些機械設備被安裝了大約150 個加速度器。加速度器探測出的震動數據用于評估當前的操作環境。當磨損或撕裂現象出現時，則無線傳感器網絡中的Mote 和網關通過無線通信發送警告。
數個Mote 構成了一個由網關控制的子網。Mote 通過IEEE 802.15.4 的直接擴頻調制技術將采集到的數據轉發給網關。由于英國政府的限制，工作頻段被調整到英國標準的868MHz 。然而系統的工作頻段是可調的，但對于工作于國際環境極為重要。因為各國的許可標準往往不盡相同。
網關之間通過IEEE 802.11 構建了一個mesh 網絡，將所有的數據傳遞給主控網關。該網關將數據傳遞給后臺的數據存儲服務器。每個網關都有2GB 的內存，這確保在網關與船上的網絡失去連接時，仍能夠采集并暫時儲存來自Mote 的數據。
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施前解決。船體的金屬構架和密集的機械設備使引擎室射頻傳輸的可能性微乎其微。“金屬是射頻能量的一個強大的反射體，”Crossbow 科技公司高級應用工程師John Suh 指出。“金屬對射頻信號產生種不良影響，因此就沒有辦法通過發送接收裝置得到信息。
解決這個問題就是建立一個mesh 網絡。在這種網絡中，每個節點都能與其相鄰節點通訊。節點上的數據將被相鄰節點一次次的轉發直到這些數據到達一個控制器或采集站。這樣的數據傳輸的多重路徑使得這個網絡十分可靠。一旦一個節點時效，其他節點仍能夠直接的，或通過一個或幾個中繼節點相互通信。
“不同于傳統的點對點連接，mesh 網絡提供大量的不同路由，”BP 公司的Cassar 說。“每個節點協同其他節點都能探測到任何角落的信息，這種功能是點對點網絡所無法做到的。而mesh 網絡的靈活性能解決這樣的問題。”
設備安全性
另外一個與環境相關的問題是設計一個能裝載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是開發一套適合BP 設備的商用系統。“我們充分學習了封裝技術，并且設計出了一款高安全系數且適合工程應用和環境的的特殊外殼。”Suh 說。
如何處理所有數據
在項目的最后階段，項目組又面臨一個嚴峻的問題，那就是要想準確地確定機械問題的所在，必須獲取大量的震動數據并對之進行分析。而挑戰在于如何協調大數據量傳感器監控數據的采集和低速率網絡傳輸協議（IEEE 802.15.4）用于Mote 和網關之間的通信之間的關系。
具體的解決方案是通過在Mote 上處理大批的數據，來減少傳輸給網關的數據量。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據處理需要的。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。
“當你著眼于傳感器網絡應用時，你會發現不同的傳感器會有不同的數據帶寬范圍要求。”Crossbow 的Suh 說，“在一些實際應用中，你可能需要通過一個的溫度傳感器采集溫度，要獲得數據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 進一步通過軟件增強了Mote 的處理性能。“最典型的是你可以在Mote 上作FFT 和其它計算來提取出數據中的頻率特征。”Intel 的傳感器網絡系統總監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 知識產權核的許可，并將其在本領域的許多經驗算法移植到Mote 上，使Mote 更好地實施監控。我們的目的是要在網絡邊界內進行大量的數據處理，而不像先前那樣把數據都傳輸回后端的服務器。”
Intel 還在網關上加入了可將數據解析為XML 格式的軟件。“我們有一套可對數據進行抽象和檢索的基于XML 的數據系統。”Kling 說，“XML 是一種通用中間件格式，用在網關和后端服務器的數據交換。網關還提供一個連接后端Rockwell 服務器的接口并將數據處理成為服務器可以接受的格式。”
能量供應
在BP 開發無線傳感器網絡商用系統的過程中，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 標準，并在Mote 上實施能量的安全管理模式。
此外，對數據的預處理工作減少了數據傳輸量，這也節省了電能的消耗。“我們減少無線傳輸量，”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據量，從而大大提高電池壽命。”
另一項任務是電能的獲取。“我們在Loch Rannoch 上測試的另一項技術是獲取機械的振動產生的能量，從而把動能轉化為電能，”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。”
試驗結果
Loch Rannoch 項目實現了一套用于系統監測和預測維修的高效自動數據采集系統。而這些工作以前大都由人來完成。“操作人員通過手持設備，如PDA，就能直接獲得各種轉動機器的狀態監測數據，并同時檢測一個加速度讀數。”Cassar 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據。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據其實是十分少的，因為一年才幾次采集數據。我們現在將網絡設定為每18 小時采集一次數據。再以不用像以前拿著手持設備每8 周去檢測設備，而是每18 小時自動采集一次數據。”
從Loch Rannoch 項目中獲得的其它經驗：
傳感器網絡可以在惡劣的環境中很好地工作。
射頻和網絡結構的選擇是十分重要的。這兩者都可以提高通信的可靠性。
先進的平臺能很好地配合這種特殊的應用，因為通過在網絡邊界內的預處理大幅度降低了數據的傳輸量。
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