专利名称：用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法
技术领域：
本发明涉及一种用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法，属于工业无线传感器网络技术及设备状态监测和故障诊断技术应用领域。
背景技术：
随着工业企业设备装备水平的提高，设备故障形式越来越复杂，一旦发生故障停机将造成巨大的损失，设备管理的难度和要素也不断增长，迫切需要实用有效的技术手段和管理方式进行运行状况的实时掌控和对设备故障的准确判断，最大限度地避免故障停机及性能劣化带来的经济损失和重大事故，科学合理地确定维修内容，达到设备综合管理成本的最优。目前，设备状态监测主要包括日常点检、精密诊断和在线监测等实施方式，每种方式都具有自身的特点。其中如日常点检和精密诊断，主要依靠人工到设备旁获取特征信号或样品，进行状态判断和故障分析，实施方式相对简捷，但针对恶劣、危险的环境就难以开展。同时在现场进行信号采集工作效率也相对较低，无法适应快节奏生产的要求，存在着诸如机组起停机及异常等重要瞬态过程难以捕捉，异常原因难以追溯等缺点。目前在线监测通常采用有线信号传输方式，对运行中的设备实时采集运行过程中的状态信息，不受环境、采集周期等影响，获取信息更加及时、全面，但构建时软硬件投入大，施工安装等繁琐，限制了其应用推广的范围。而无线传感器网络WSN ( WirelessSensor Network )技术具有低成本、可以实现快速部署、而不需重新铺设电缆和配置即可进行物理移位、避免复杂环境下的线缆安装和扩展性好等特点完全能够满足流程工业设备状态监测的应用需求，为信号采集和传输提供了新途径。目前检索到的涉及传感器网络技术应用于设备状态监测的相关专利有
王沁等在2006年提出的发明专利“基于无线传感器网络的大型流程工业设计现场级监测系统”，其主要特征在于使用无线通信技术替代有线传输方式。该系统克服了传统有线数据采集方式安装和维护成本高、恶劣环境下难以采集数据的困难，利用无线通信技术和嵌入式技术，实现了一种维护成本低，安装方便，适应环境广泛的无线数据采集方式。梁炜等在2008年提出的发明专利“一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法”，其主要特征在于在工业无线网络中采用网状及星型混合拓扑结构和自适应信道切换和跳频技术简化了网络结构，降低了维护和管理的难度。提高了系统的可靠性和兼容性，改进了网络的灵活性和扩展性。蔡正国等在2009年提出的实用新型专利“热轧设备状态在线监测装置”，通过振动和转速传感器进行采集和有线通信方式实时监视轧机机械设备的运行状态，并对运行状态数据实现存储和分析，为轧机机械运行状态的把握和机械设备零部件的状态维修提供有效依据。在已公布的专利尚未有涉及到用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方
法。、
本发明中的接入网关集成了两种不同的物理层调制方式的无线通信调制模块以满足同一设备监测网络中不同类型参量的采集节点对传输性能的需求。根据设备状态不同变化速率和数据量大小的参量可分别配置为慢速连续式和高速间歇式的数据传输模式的采集节点。根据不同的现场环境要求，在同一设备监测网络下，无线传感器网络节点配置合适的无线通信调制模块以提供不同等级和要求的数据链路保证数据正常通信，能够同时实现设备状态在线监测和巡检两种实施方式，具有应用灵活和传输可靠性强的优点。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供了一种用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法。能够提供可靠、灵活的设备状态监测方式，实现对设备状态的监测和有效的管理维护。为达到上述目的，本发明的构思是本发明涉及IEEE 802. 15.4国际无线通信标准，即IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间(IOm直径或更小)工作的简单器件。可以用来实现低功耗、拓扑灵活、低成本的无线传感器网络。因此，本发明提供了一种用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法，该方法中接入网关同时使用符合国际无线通信标准的同频段不同无线物理层调制方式的无线通信调制模块来满足多种不同类型参量采集对传输性能的需求；采用现场总线/工业以太网方式将接入网关存储器中存放的设备状态数据传输至网络管理系统。本发明考虑了当前无线传感器网络的发展现状，又兼顾了工业设备状态监测实际面临的情况。本发明中首先根据不同设备状态参量类型对数据传输不同的速率和采集周期要求，分别配置为由采用不同物理层调制方式的无线通信调制模块的采集节点进行数据采集和传输。该方法使用的接入网关在硬件上采用高速微处理器和存储器，外围扩展两种不同物理层调制方式的无线通信调制模块以及其他现场总线/工业以太网接口。根据工业设备和现场的不同时段和区域环境要求，通过不同的无线通信调制模块组建一个同时包含两种不同传输模式的无线传感器网络，以连接不同类型的采集节点。然后通过现场总线/工业以太网接口将数据传输至网络管理系统。该方法在软件上包含双模无线传感器网络用于双模网络管理和调度的网络通信协议、实现设备状态数据采集的应用协议以及现场总线/工业以太网通信协议实现与网络管理系统的通信。根据以上构思，本发明采用以下技术方案
一种用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法，该接入方法的特征在于在设备上安装用于监测设备状态不同类型参量的慢速连续式采集节点和高速间歇式采集节点构成的双模无线传感器网络，收集数据并接入现场总线/工业以太网的双模无线传感器网络接入网关以及网络管理系统。上述的双模无线传感器网络接入网关主要包括微处理器核心模块、现场总线/工业以太网接口和无线通信调制模块。无线通信调制模块同时采用同一无线频段的两种不同物理层调制方式，与采集不同类型设备状态参量的双模无线传感器网络采集节点进行数据交互，然后通过现场总线/工业以太网接口将数据传输至网络管理系统，实现设备状态监测和管理维护。接入网关软件上实现现场总线/工业以太网服务器功能和嵌入式浏览器服务器功能。网络管理系统可通过现场总线/工业以太网客户端和嵌入式浏览器客户端实现对接入网关和双模无线传感器网络的状态进行动态管理和配置的功能。上述的双模无线传感器网络中的采集节点包括慢速连续式和高速间歇式两种数据传输方式。根据设备状态的不同类型的参量对传输性能的要求进行分类，配置了不同的无线通信调制模块的采集节点。慢速连续式采集节点主要用于设备状态参量变化趋势缓慢，数据量小的状态参量采集和传输，例如温度状态数据。高速间歇式采集节点主要用于设备状态参量变化趋势快速，数据量大的状态参量 采集和传输，例如振动状态波形数据。本方法中的双模无线传感器网络在同一监测网络中，具有两种不同物理层的无线通信调制模块的采集节点同时运行。根据现场区域条件或时段的不同，建立由两种不同数据传输方式的采集节点构成的双模无线传感器网络，接入网关通过不同的无线通信调制模块和媒体接入层协议保证在各自数据传输方式下设备状态监测数据传输畅通。双模无线传感器网络运行标准应用层协议，在周期性设备状态监测中由低功耗的慢速连续式采集节点完成设备状态监测。当需要实施点检或精密诊断模式和大数据量的波形传输时，通过用户发出操作命令，接入网关自动识别并激活处于休眠状态的高速间歇式采集节点加入监测网络实施设备状态在线监测，此时慢速连续式采集节点和高速间歇式采集节点由双模无线传感器网络的接入网关统一调度。
图I是本发明用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法示意图 图2是本发明所涉及双模无线传感器网络接入网关的协议栈示意图
图3是本发明所涉及双模无线传感器网络接入网关的硬件结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施实例进行说明
参见图I所示，本双模无线传感器网络接入方法在设备上安装用于设备状态监测不同类型参量的慢速连续式采集节点(I)和高速间歇式采集节点(2)构成的双模无线传感器网络(3)、收集数据并接入工业以太网的双模无线传感器网络接入网关(4)和网络管理系统(5)。用于设备状态监测的双模无线传感器网络(3)是由多个具有温度、应力和振动等信号接口的采集节点所组成。这些节点上的无线通信调制模块可根据设备状态参量的不同类型配置为两种不同无线物理层调制方式，即慢速连续式采集节点(I)和高速间歇式采集节点(2)。这两类采集节点的通信协议分别采用两种不同的基于IEEE802. 15. 4无线通信标准的对应物理层通信，与双模无线传感器网络接入网关(4)的无线通信调制模块实现数据交互。工业现场设备状态监测的主要参量为温度、振动和应力等。使用热电阻或者热电偶测量的温度参量适合采用慢速连续式采集节点，振动信号波形传输等大数据量适合采用高速间歇式采集节点。其中设备状态监测中通过振动传感器采集的振动信息对设备故障诊断更加具有指导作用，可以进行后续模态分析等。但振动波形信号的采集具有数据量大和实时性高的特点，普通的IEEE802. 15. 4低速无线物理层调制方式无法满足通信要求。
本发明实例的接入网关⑷具有两种不同无线物理层调制方式的基于IEEE802. 15. 4无线通信标准的无线通信调制模块，包括直接序列扩频DSSS (DirectSequence Spread Spectrum)和切谱扩频 CSS (Chirp Spread Spectrum)。根据设备状态监测的实际需求，所采集不同类型的参量分别使用不同无线通信调制方式的无线采集节点进行设备状态参量采集，具有良好的扩展性。一般工业现场的常见噪声频段为IGHz以下，所以本发明实例中选用2. 4GHz的ISM频段。IEEE802. 15. 4提供两种物理层的选择(868/915MHz和2. 4GHz)，其中2. 4GHz频段下采用的是基于DSSS的准正交调制技术，最高通信速率达到250kbps，满足慢速连续式的数据传输需求。而基于CSS的调制方式能够有效抑制工业环境中的噪音和多径干扰，支持更长距离和更广传输范围情况下的可靠数据通信，其最高通信速率达到2Mbps，适用于高速间歇式的数据传输需求。参见图2所示，本发明实例的接入网关(4)协议架构中，对两种不同的无线通信调制模块分别实现不同的无线物理层和数据链路层协议，但都遵循IEEE802. 15. 4无线通信标准来实现，由此保证在各自模式下设备状态监测数据传输畅通。上层采用相同的网络层和用户应用层协议，方便进行数据统一管理和调度。双模无线传感器网络(3)平时运行标准应用层协议，一般以慢速连续式采集节点为主来实现设备状态监测。当设备需要实施点检或精密诊断模式和大数据量的波形传输时，通过用户发出操作命令，接入网关(4)自动识别并激活处于休眠状态的高速间歇式采集节点加入监测网络实施设备状态在线监测，此时慢速连续式采集节点⑴和高速间歇式采集节点⑵由双模无线传感器网络⑶的接入网关⑷统一调度。现场总线/工业以太网接口采用的是目前主流现场总线/工业以太网协议。现场总线接口使用主流的Profibus-DP协议，底层为RS485通信接口 ；工业以太网采用Modbus/TCP协议，将Modbus协议作为应用层协议移植到TCP/IP协议栈之上，底层仍然采用IEEE802. 3以太网标准。参见图3所示，结合图1，本发明实例的接入网关⑷以嵌入式微处理器模块为核心，包括两种不同物理层调制方式的无线通信调制模块、现场总线和工业以太网接口、隔离电源模块和外围接口模块(Micro SD存储单元、实时时钟、IXD显示单元、串口调试单元、USB)组成。该接入网关(4)同时具有两种不同无线物理层调制方式的基于IEEE802. 15.4无线通信标准的无线通信调制模块。微处理器核心模块分别通过不同的SPI总线连接无线通信调制模块，负责完成对慢速连续式采集节点(I)和高速间歇式采集节点(2)构成的双模无线传感器网络⑶的通信和管理、数据的存储与上传。该接入网关(4)通过基于IEEE802. 15. 4的无线通信协议管理由多个采集节点所组成的双模无线传感器网络(3)，并在双模无线传感器网络中处于主机的地位。该接入网关(4)主动发送控制和同步帧给各个采集节点，采集节点接收到命令进行判断是否发给自己后，进入相应的命令状态。同时该接入网关(4)上实现现场总线/工业以太网通信服务器功能，并处于等待数据上传状态。网络管理系统(5)通过现场总线/工业以太网客户端进行连接，一旦接收到网络管理系统(5)下发的数据上传指令则将采集的多个无线传感器网络节点数据打包后上传至网络管理系统(5)。达到充分利用现场总线/工业以太网带宽的目的，能够实现节点采集数据的高速传输、节点信息的快速更新，使得设备状态维护方便可靠。网络管理系统(5)通过现场总线/工业以太网客户端和嵌入式浏览器客户端实现、对接入网关(3)和双模无线传感器网络(4)的状态进行动态管理和配置的功能。。通过接入网关(3)将网络信息和采集节点信息生成动态注册表，动态注册表包含了采集节点数据的按用户组态的实时信息，通过数据代理，网络管理系统(5)可以按照组态信息进行周期性的读/写数据交换或直接使用注册表对单个节点进行读写数据、配置节点内部参数等操作。动态注册的管理方式使得实施点检/精密诊断模式时，高速间歇式采集节点(2)移动在不同网段中能够平滑过渡，网络管理系统(5)根据全局地址和数据代理实现统一调度，不需要额外操作即可读写该节点数据。其中网络管理系统(5)通过现场总线/工业以太网客户端连接至接入网关(3)的现场总线/工业以太网服务器进行数据通信并显示双模无线传感器网络(4)和接入网关(3)本身的所有信息。网络管理系统(5)安装数据库软件及其 相关组件，能够实现设备状态信息显示、数据存储、数据查询、统计、历史变化趋势、统计报表及分配网络数据传输速率等多项功能。本发明的优点在于考虑到工业现场设备状态监测的现状，采用无线传感器网络的实施方式具有安装简单、组网方便、维护工作量小的特点。根据设备状态不同类型参量对传输性能的要求配置了不同无线物理层调制方式的采集节点，通过接入网关同时集成两种不同物理层调制方式的无线通信调制模块，使得高速间歇和慢速连续的两种无线数据采集节点在同一个设备状态监测网络中能够同时工作，传输数据稳定可靠，从而能够同时满足在线监测和巡检点检不同实施方式的需求。同时采用现场总线/工业以太网通信方式，保证了多个无线传感器网络节点的采集设备状态数据的高速可靠传输，降低了监测的成本，提高了灵活性。
权利要求
1.一种用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法，该接入方法的特征在于在设备上安装用于监测设备状态不同类型参量的慢速连续式采集节点(I)和高速间歇式采集节点(2)构成的双模无线传感器网络(3)，收集数据并接入现场总线/工业以太网的双模无线传感器网络接入网关(4)以及网络管理系统(5)。
2.根据本权利要求I中所述的用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法，其特征在于所述中的双模无线传感器网络接入网关(4)主要包括微处理器核心模块(4. I)、现场总线/工业以太网接口(4. 2)和无线通信调制模块(4. 3. I, 4. 3. 2);无线通信调制模块(4. 3. 1，4. 3. 2)同时采用同一无线频段的两种不同物理层调制方式，与采集不同类型设备状态参量的双模无线传感器网络采集节点进行数据交互，然后通过现场总线/工业以太网接口将数据传输至网络管理系统(5)，实现设备状态监测和管理维护；接入网关软件上实现现场总线/工业以太网服务器功能和嵌入式浏览器服务器功能； 网络管理系统(5)可通过现场总线/工业以太网客户端和嵌入式浏览器客户端实现对接入网关(4)和双模无线传感器网络(3)的状态进行动态管理和配置的功能。
3.根据权利要求I中所述的用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法，其特征在于双模无线传感器网络(3)中的采集节点包括慢速连续式和高速间歇式两种数据传输方式；根据设备状态的不同类型的参量对传输性能的要求进行分类，配置了不同的无线通信调制模块(4. 3. 1,4. 3. 2)的采集节点； 慢速连续式采集节点(I)主要用于设备状态参量变化趋势缓慢，数据量小的状态参量采集和传输，例如温度状态数据；高速间歇式采集节点(2)主要用于设备状态参量变化趋势快速，数据量大的状态参量采集和传输，例如振动状态波形数据； 本方法中的双模无线传感器网络(3)在同一监测网络中，具有两种不同物理层的无线通信调制模块(4. 3. 1,4. 3. 2)的采集节点(1，2)同时运行； 根据现场区域条件或时段的不同，建立由两种不同数据传输方式的采集节点(1，2)构成的双模无线传感器网络(3)，接入网关(4)通过不同的无线通信调制模块(4. 3. I, 4. 3. 2)和媒体接入层协议保证在各自数据传输方式下设备状态监测数据传输畅通； 双模无线传感器网络运行标准应用层协议，在周期性设备状态监测中由低功耗的慢速连续式采集节点(4. 3. I)完成设备状态监测； 当需要实施点检或精密诊断模式和大数据量的波形传输时，通过用户发出操作命令，接入网关(4)自动识别并激活处于休眠状态的高速间歇式采集节点(4. 3. 2)加入监测网络实施设备状态在线监测，此时慢速连续式采集节点(I)和高速间歇式采集节点(2)由双模无线传感器网络(3)的接入网关(4)统一调度。
全文摘要
本发明涉及一种用于设备状态监测的双模无线传感器网络接入方法。本方法是在设备上安装用于监测设备状态的不同类型参量的慢速连续式采集节点和高速间歇式采集节点构成的双模无线传感器网络，收集数据并接入现场总线/工业以太网的接入网关以及网络管理系统。本接入网关中无线通信调制模块同时采用同一频段的两种不同物理层调制方式，完成与双模无线传感器网络采集节点的数据交互，现场总线/工业以太网接口将无线传感器网络采集的设备状态数据通过现场总线/工业以太网传输至网络管理系统。实现对双模无线传感器网络和接入网关的动态管理和配置功能。本发明能够同时满足设备状态在线监测和巡检两种实施方式，降低了监测的成本，提高了灵活性。
文档编号H04W24/04GK102638380SQ20121007685
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者姚奇, 朱献忠, 李先茂, 王天一, 王海宽, 费敏锐, 阮俊杰 申请人:上海大学