基于SAW抗干擾傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫測方法

李春東，卞振宇，高 源，鄭 華

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司,遼寧 鐵嶺 112000; 3.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

0 引言

工業(yè)維護(hù)是工業(yè)中的一項重要活動，其目的是使機(jī)器或部件重新運轉(zhuǎn)或防止其發(fā)生故障，以增加系統(tǒng)可用性，提高安全性[1]。

維護(hù)一般有兩種形式:

1) 糾正型[2]。僅在系統(tǒng)中斷的情況下才會采取行動(部件維修或更換)。

2) 預(yù)見型或時間型。根據(jù)當(dāng)前情況預(yù)測系統(tǒng)的健康狀況，并定義需要進(jìn)行的維護(hù)作業(yè)。僅在直接證據(jù)表明系統(tǒng)發(fā)生惡化的情況下，才會停用系統(tǒng)服務(wù)。如文獻(xiàn)[3]提出的維護(hù)干預(yù)不受機(jī)器實際健康狀態(tài)的影響，在每個時間周期對部件進(jìn)行更換，該活動是周期性行為。文獻(xiàn)[4]提出的預(yù)見性維護(hù)(PM)根據(jù)當(dāng)前狀況預(yù)測系統(tǒng)健康，并定義所需的維護(hù)活動。系統(tǒng)僅在直接證據(jù)表明惡化的情況下才會中斷服務(wù)，減少了維護(hù)支持成本和后勤工作量。有線傳感器和無線傳感器均可提供狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)[5-6]。在操作約束大的應(yīng)用中(如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、無人機(jī)、大規(guī)模系統(tǒng)等)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)優(yōu)于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。文獻(xiàn)[8]通過聚類傳感器節(jié)點并計算每個區(qū)域傳感器節(jié)點的通信量確定基站位置坐標(biāo)，構(gòu)建以最大化能量補充設(shè)備駐站時間比為目標(biāo)的跨層優(yōu)化問題，并將其轉(zhuǎn)化為具有等優(yōu)性的線性規(guī)劃問題，延長了WSN的生存周期，使其支持各種傳感器，且降低了部署復(fù)雜度。在PM中使用WSN可覆蓋更多部件，提供更多有用數(shù)據(jù)。但為了在PM中高效使用WSN，必須解決傳感器提供信息的精度和可靠度、傳感器詢問機(jī)制及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[9]等問題。此外，如果傳感器被安裝后無法進(jìn)行維護(hù)，可以使用無電池傳感器以實現(xiàn)遠(yuǎn)程詢問。文獻(xiàn)[10]嘗試在硅基射頻識別(RFID)上加入傳感能力，但受限于CMOS涂層硅的溫度范圍。

為此，本文提出基于聲表面波(SAW)的無源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫測方法，利用無線通信以多跳方式將數(shù)據(jù)傳遞至終端用戶。測量單元在使用射頻電子時，一方面對短距離采用雷達(dá)測量以采集傳感器數(shù)值，另一方面通過多跳數(shù)字無線鏈路發(fā)送處理信息。因此，該網(wǎng)絡(luò)支持工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)測，健康狀態(tài)評估，檢測并確認(rèn)故障及預(yù)測工作壽命。由于采用了無源無線傳感器，其可部署在旋轉(zhuǎn)裝置中(如風(fēng)力渦輪機(jī)、渦輪風(fēng)扇等)或惡劣區(qū)域，采集可靠且有代表性的相關(guān)數(shù)據(jù)，并處理這些數(shù)據(jù)，以執(zhí)行對目標(biāo)工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境檢測和預(yù)見性維護(hù)。

1 SAW傳感器與數(shù)據(jù)采集

1.1 SAW傳感器

所提監(jiān)測應(yīng)用中，傳感元件為無源換能器，通過遠(yuǎn)場射頻鏈路進(jìn)行探測，并通過相關(guān)詢問單元采集數(shù)據(jù)。換能器的固有材料特性會隨環(huán)境(應(yīng)力或溫度)的變化而變化，因此，可以通過對換能器的雷達(dá)截面(作為協(xié)同目標(biāo))進(jìn)行表征來探測這種物理量。為降低協(xié)同目標(biāo)相對于電磁能量約束機(jī)制的維度，使用壓電基板將電磁波轉(zhuǎn)換為聲波后，利用聲波將能量存儲在聲波諧振器中。此技術(shù)廣泛用于模擬射頻信號處理和SAW器件中，并對SAW諧振器的頻率相關(guān)響應(yīng)進(jìn)行探測[11]。因此，選擇能提供I/Q解調(diào)模擬輸出的收發(fā)器，并分析提取相關(guān)信息所需的信號處理步驟。

另外，利用已有的路由協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。TinyOS[12]內(nèi)存占用與低功耗微控制器架構(gòu)相兼容，具有模塊化、實時性的特點，且在實施低電平射頻層后可支持多種無線傳感器路由協(xié)議。TinyOS-2.x提供了即芯片配置(見圖1)。在配置射頻調(diào)制解調(diào)器后，Xe1203Uart可以處理常見的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸活動。硬件對傳輸報頭進(jìn)行模式匹配，以驗證接收到的射頻(RF)信號。通過低功率接收模式下的無線電調(diào)制解調(diào)器，在硬件層對該模式進(jìn)行檢測，并用于觸發(fā)STM32微控制器的喚醒，否則其將停留在低功耗模式下。

圖1 TinyOS-2.x中開發(fā)的軟件層

1.2 SAW傳感器的數(shù)據(jù)采集

本文使用SAW技術(shù)感測溫度值分為以下4個步驟：

1) 對詢問中使用的射頻頻段進(jìn)行監(jiān)測，以評估另一個測量或通信是否正在進(jìn)行中。

2) 獲得SAW換能器后向散射傳遞函數(shù)，并利用RF器件的模擬能力識別相關(guān)特征。

3) 利用RF器件的數(shù)字通信功能，向詢問器發(fā)送應(yīng)答信號。

4) 通過定標(biāo)系數(shù)將頻率轉(zhuǎn)換為物理量。

圖2為輸入電信號的接收及將其轉(zhuǎn)換為SAW傳感器上聲波的方式。

圖2 SAW傳感器詢問系統(tǒng)架構(gòu)

2 基于詢問器的數(shù)據(jù)傳輸

所提方法中，硬件使用無線電調(diào)制解調(diào)器作為中央處理單元的外圍設(shè)備，以對無源傳感器應(yīng)答進(jìn)行探測。在獲取必要信息后，重新配置無線電調(diào)制解調(diào)器，以實現(xiàn)數(shù)字通信。點對點配置中，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的能量約束很小(始終處于喚醒狀態(tài))，數(shù)據(jù)源可能是電池供電，所有在未發(fā)生詢問或通信時，需要通過切換到睡眠模式并關(guān)閉所有外圍設(shè)備來節(jié)約能量。但該方法在所有節(jié)點參與到多跳網(wǎng)絡(luò)中的情況下需要一定程度的同步化操作。

2.1 干涉問題

2.1.1同時發(fā)送管理

網(wǎng)絡(luò)由4類節(jié)點組成。每類節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮不同作用，以將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至根節(jié)點(見圖3)。圖3中的4類節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有：

1) 生成器產(chǎn)生要發(fā)送至根節(jié)點的數(shù)據(jù)。

2) 嗅探器僅可偵聽轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包。

3) 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)處理器攔截并更新轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包。

4) 用戶為根節(jié)點，對轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收采集。

圖3 4種類型的節(jié)點

同時發(fā)送的詢問器之間會產(chǎn)生沖突，實際應(yīng)用中，干擾會顯著降低網(wǎng)絡(luò)效率和可靠性。通常，兩種情況下會發(fā)生干擾，即

1) 在節(jié)點探測傳感器應(yīng)答時，附近一些節(jié)點正在通信，此時，發(fā)射的無線電頻率脈沖可能會與鄰近節(jié)點產(chǎn)生干擾。

2) 當(dāng)若干個節(jié)點同時發(fā)送一些通信數(shù)據(jù)包時，可能會產(chǎn)生沖突。上述情況會造成數(shù)據(jù)包受損和丟失。

Xe1203無線電調(diào)制解調(diào)器未進(jìn)行避免此類沖突的硬件沖突檢測。因此，必須通過軟件層來管理介質(zhì)訪問，以避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)干擾。

2.1.2先聽后送方法

為允許鄰近節(jié)點同時發(fā)送消息，需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制機(jī)制。在本文研究的無線局域網(wǎng)中，介質(zhì)為電磁環(huán)境，對于某個給定頻率，介質(zhì)不可被一個以上的網(wǎng)絡(luò)實體使用。

本文使用先聽后送(LBT)方法，其中每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前先對介質(zhì)進(jìn)行偵聽以檢測其他節(jié)點的活動。若介質(zhì)為空閑，則節(jié)點可立即發(fā)送；否則，將發(fā)送操作延遲隨機(jī)選定的時長。

建筑給排水工程施工前應(yīng)做好以下幾個方面的準(zhǔn)備：①擬定科學(xué)的施工方案，設(shè)計合理的施工圖紙，選用適宜的安裝工藝、材料以及使用設(shè)備，做出恰當(dāng)?shù)娜藛T安排等；②制定工程施工相關(guān)的規(guī)章制度，提高一線操作人員的技術(shù)水平，采用適宜的責(zé)權(quán)劃分和獎懲機(jī)制；③根據(jù)施工設(shè)計的要求和標(biāo)準(zhǔn)，合理預(yù)留、預(yù)埋管道。

當(dāng)兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，無法檢測到介質(zhì)使用，仍會發(fā)生沖突。此時，通過上層網(wǎng)絡(luò)層處理該沖突，如使用確認(rèn)系統(tǒng)，要求對丟失數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳。

2.1.3媒體訪問控制層的設(shè)計

控制媒體訪問的軟件部分為媒體訪問控制(MAC)層。為將算法的檢測部分和介質(zhì)控制部分分割開來，需要連接兩個組件。

首先，通過Xe1203DetectMediumAccess組件完成LBT方法的檢測部分。該組件負(fù)責(zé)偵聽介質(zhì)，并指示是否存在另一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實體。其次，另一個組件Xe1203MediumAccessControl包含物理地址(MAC)層邏輯。該組件使用上一個組件檢測介質(zhì)可用性。其提供請求訪問介質(zhì)的功能，并在介質(zhì)空閑時發(fā)出回調(diào)信號。

2.1.4在TinyOS內(nèi)使用MAC層

由于通信部分和傳感器詢問模塊可能會在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生干擾，兩者均使用了MAC層。詢問傳感器的節(jié)點，以及在網(wǎng)絡(luò)中通信的節(jié)點，均應(yīng)該等待至介質(zhì)為可用，TinyOS為封裝平臺相依組件，因此可在Xe1203層添加一個MAC層，而無需對上層進(jìn)行調(diào)整。

2.2 詢問器網(wǎng)絡(luò)通信

此類網(wǎng)絡(luò)將詢問器讀取的傳感器測量數(shù)據(jù)傳遞至網(wǎng)絡(luò)采集點(也稱為根節(jié)點或匯聚節(jié)點)。

本文使用期望傳輸(ETX)估計值建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點質(zhì)量。節(jié)點質(zhì)量為其父節(jié)點質(zhì)量，及其與父節(jié)點間鏈路的質(zhì)量之和。若節(jié)點的父節(jié)點為其自身(即節(jié)點為路由樹的根)，則其ETX值為0。

(1)

為計算一個節(jié)點的ETX，必須估計該節(jié)點與其父節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量。假定兩個節(jié)點間的匯聚節(jié)點是非對稱的，則分別對入鏈和出鏈進(jìn)行估計。節(jié)點A、B間鏈路質(zhì)量為節(jié)點A至節(jié)點B的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某晒Ω怕?，該概率是指鏈路的?shù)據(jù)包接收率(PRR)：

(2)

式中：Nreceived為接受到的數(shù)據(jù)包數(shù)量；Ntotal為鏈路數(shù)據(jù)包總數(shù)量。

其中，節(jié)點A、B間鏈路的入鏈質(zhì)量，為節(jié)點B針對單向鏈路節(jié)點A→節(jié)點B做出的假設(shè)。節(jié)點A、B間鏈路的出鏈質(zhì)量，為節(jié)點B針對單向鏈路節(jié)點B→節(jié)點A做出的假設(shè)。節(jié)點A、B間的雙向鏈路質(zhì)量為入鏈質(zhì)量(節(jié)點A→節(jié)點B)和出鏈質(zhì)量(節(jié)點B→節(jié)點A)的積。另外，每個節(jié)點僅可利用接收到的確認(rèn)消息，計算與其父節(jié)點之間鏈路的出鏈質(zhì)量。因此，需要使用共享估計機(jī)制，以允許節(jié)點計算其估計值。

2.2.2路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)

高效的采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠發(fā)現(xiàn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點的最優(yōu)路徑。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，應(yīng)調(diào)整或更換路徑。采集樹協(xié)議利用節(jié)點估計，找到通往根節(jié)點的最優(yōu)路徑，在節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的情況下，采集樹協(xié)議在鄰近節(jié)點中找到具有最低ETX的節(jié)點。由此，利用節(jié)點的不同ETX來發(fā)現(xiàn)路由。

當(dāng)節(jié)點的ETX低于其父節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)會中斷。在向匯聚節(jié)點傳遞消息時，后續(xù)節(jié)點的ETX是遞減的。若ETX沿路徑增加，則會產(chǎn)生回路。特殊情況下，網(wǎng)絡(luò)必須改變至匯聚節(jié)點的路徑。若節(jié)點被關(guān)閉、替換或移動，則網(wǎng)絡(luò)可能需要尋找新路徑。

網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點有其自身的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔憩F(xiàn)形式。為維護(hù)其表現(xiàn)形式，節(jié)點利用自適應(yīng)信標(biāo)方法與鄰近節(jié)點共享估計。事實上，只有在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時，節(jié)點才需要共享數(shù)據(jù)。利用自適應(yīng)信標(biāo)，使得網(wǎng)絡(luò)可以在必要時快速進(jìn)行調(diào)整，其他時候則盡量減少節(jié)點使用。

3 數(shù)據(jù)測量結(jié)果與開發(fā)

3.1 測量結(jié)果

本文的測量平臺如圖4所示，包括傳感器件和詢問單元。此處利用移相器和衰減器對讀取器單元和傳感器之間的不同距離進(jìn)行模擬。模擬傳感器的特性取決于信噪比及RF鏈路預(yù)算，因此，服務(wù)質(zhì)量信息必須與每個測量結(jié)果關(guān)聯(lián)，以便用戶評估每次測量的有效性和準(zhǔn)確性。每個測量值都是多個傳感器詢問的平均結(jié)果，該均值操作與平均樣本上標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算能力相關(guān)。因此，向用戶提供3個等級的服務(wù)質(zhì)量：

1) 超額標(biāo)準(zhǔn)偏差(由用戶要求定義)允許剔除在超額射頻干擾過程中出現(xiàn)的測量值。

2) 假定標(biāo)準(zhǔn)偏差足夠低，由反饋回路控制發(fā)射功率，該回路將接收功率控制在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)操作條件下。將發(fā)射功率保持在反饋回路允許范圍內(nèi)，并放置發(fā)射功率(+10～-22 dBm)觸及極限，為記錄下準(zhǔn)確測量值提供了最優(yōu)條件。

3) 若發(fā)射功率達(dá)到極限，通過分析返回功率得到返回信號的質(zhì)量，其邊界應(yīng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的邊界保持一定距離。

圖4 本文測量平臺實物

將多次測量結(jié)果上的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，用于計算標(biāo)準(zhǔn)偏差的樣本數(shù)量是有效性分析的強制性因素；如果在將數(shù)值傳輸給用戶時，在超時前可進(jìn)行一次采集，則標(biāo)準(zhǔn)偏差為空，但與服務(wù)質(zhì)量無關(guān)。

圖5為應(yīng)用定標(biāo)系數(shù)對諧振頻率測量值與溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換前的原始數(shù)據(jù)。由圖5(a)可知，在數(shù)據(jù)驗證中，需要使用自動化程序去除這種偽跡。圖5(b)、(c)給出了兩個指標(biāo)。圖5(b)中的數(shù)據(jù)用以探測傳感器信號。發(fā)射功率上的反饋回路(最大值為+10 dBm，最小值為-21 dBm)是將傳感器返回的測量功率保持在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的中等范圍，因此，發(fā)射功率的大幅下降意味著額外的射頻干擾。由圖5(c)可知，急劇上升的曲線表示鏈路預(yù)算較差。通過標(biāo)準(zhǔn)偏差上的閾值，高效移除離群點。

圖5 實驗期間的原始測量結(jié)果

對于靜態(tài)傳感器，若協(xié)同目標(biāo)在允許范圍內(nèi)，則可成功獲得大部分傳感器雷達(dá)截面屬性，即可得到預(yù)定數(shù)量的平均值。在對溫度信息的質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程驗證后，必須通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸該信息，對數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險進(jìn)行評估。數(shù)字通信基于MAC共享RF頻譜，在循環(huán)冗余校驗的基礎(chǔ)上評估傳輸期間的數(shù)據(jù)損壞情況，并進(jìn)行基于路由協(xié)議的多跳通信。

3.2 數(shù)據(jù)開發(fā)

本文進(jìn)行了持續(xù)1年半的室內(nèi)和室外溫度測量實驗，以驗證所提無線無源傳感器方法在采集和路由數(shù)據(jù)方面的可靠性，如圖6、7所示。實驗期間，每5 min將詢問單元打開5 s，由此得到2 347 215個采集和傳輸樣本。安裝在室內(nèi)的1個傳感器得到1 717 415個有用數(shù)據(jù)，將另一個傳感器固定在室外窗邊。2個傳感器距離詢問雷達(dá)單元的距離均為10 m，通過自動喚醒每5 min采集一次數(shù)據(jù)。實驗中，讀取器連接主電源，無喚醒時長限制，對圖5所示的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到該數(shù)據(jù)集。

圖6 推導(dǎo)出溫度并進(jìn)行一致性檢驗的結(jié)果

圖7 通過無線鏈路采集到的樣本

利用第2節(jié)介紹的各種服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，在該數(shù)據(jù)集上進(jìn)行評價。由于對SAW傳感器進(jìn)行探測是模擬測量，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量與信噪比直接相關(guān)。由于該試驗的目的是最大限度擴(kuò)大詢問范圍，接收信號處于檢測極限閾值，任何障礙都會造成標(biāo)準(zhǔn)偏差測量值的增加，任何主動干擾都將導(dǎo)致接收階段飽和。在實驗持續(xù)的時間中，應(yīng)用這兩個標(biāo)準(zhǔn)，將連續(xù)(每5 min)采集到的數(shù)據(jù)排除了4.4%。應(yīng)用定標(biāo)系數(shù)，從過濾后的測量結(jié)果中推導(dǎo)出溫度，并對得出的數(shù)據(jù)集進(jìn)行一致性檢驗：排除不合理的溫度值和會導(dǎo)致計算出負(fù)平方根的頻率值(在初始處理后的1 641 907個樣本中僅有67個樣本的數(shù)值會導(dǎo)致這種情況，占比約0.004%(見圖6)。

由此，對于得出的數(shù)據(jù)集，用戶可以在溫度結(jié)果上定義各種過濾器，僅保留合理范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，防止誤警(見圖7)。事實上，傳感器收集的數(shù)據(jù)包含應(yīng)該保留的與系統(tǒng)和環(huán)境相關(guān)的有用數(shù)據(jù)[13]。數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提取相關(guān)特征，并建立健康指標(biāo)以對系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行建模。然后，使用這些特征作為專門設(shè)計的故障檢測、故障診斷和故障預(yù)測算法的輸入，以提醒用戶系統(tǒng)可能的故障，并估計系統(tǒng)剩余工作時間。最后，利用該信息，采取合適的系統(tǒng)操作相關(guān)決策。決策可能包含中止系統(tǒng)、變更控制規(guī)則、修改任務(wù)、重新配置組件利用等。

4 結(jié)束語

本文提出了基于無線SAW傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)測平臺。系統(tǒng)中使用固定在壓電器件上的無源SAW傳感器，使用電池供電的詢問單元對SAW傳感器進(jìn)行探測。傳感數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳路由，在一個或多個采集點完成數(shù)據(jù)采集。將傳感器捕捉到的信息路由到平臺，以支持工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)測，評估系統(tǒng)健康狀態(tài)。多個傳感器和詢問器可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提升數(shù)據(jù)可靠性，且可處理包含不同類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)。