基于SAW抗干擾傳輸的無線傳感器網絡溫測方法

李春東，卞振宇，高 源，鄭 華

(1.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072；2.國網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 電氣與電子工程學院,北京 102206)

0 引言

工業維護是工業中的一項重要活動，其目的是使機器或部件重新運轉或防止其發生故障，以增加系統可用性，提高安全性[1]。

維護一般有兩種形式:

1) 糾正型[2]。僅在系統中斷的情況下才會采取行動(部件維修或更換)。

2) 預見型或時間型。根據當前情況預測系統的健康狀況，并定義需要進行的維護作業。僅在直接證據表明系統發生惡化的情況下，才會停用系統服務。如文獻[3]提出的維護干預不受機器實際健康狀態的影響，在每個時間周期對部件進行更換，該活動是周期性行為。文獻[4]提出的預見性維護(PM)根據當前狀況預測系統健康，并定義所需的維護活動。系統僅在直接證據表明惡化的情況下才會中斷服務，減少了維護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監測數據[5-6]。在操作約束大的應用中(如旋轉電機、無人機、大規模系統等)，無線傳感器網絡(WSN)優于有線傳感器網絡[7]。文獻[8]通過聚類傳感器節點并計算每個區域傳感器節點的通信量確定基站位置坐標，構建以最大化能量補充設備駐站時間比為目標的跨層優化問題，并將其轉化為具有等優性的線性規劃問題，延長了WSN的生存周期，使其支持各種傳感器，且降低了部署復雜度。在PM中使用WSN可覆蓋更多部件，提供更多有用數據。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、傳感器詢問機制及數據傳輸協議[9]等問題。此外，如果傳感器被安裝后無法進行維護，可以使用無電池傳感器以實現遠程詢問。文獻[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絡溫測方法，利用無線通信以多跳方式將數據傳遞至終端用戶。測量單元在使用射頻電子時，一方面對短距離采用雷達測量以采集傳感器數值，另一方面通過多跳數字無線鏈路發送處理信息。因此，該網絡支持工業系統監測，健康狀態評估，檢測并確認故障及預測工作壽命。由于采用了無源無線傳感器，其可部署在旋轉裝置中(如風力渦輪機、渦輪風扇等)或惡劣區域，采集可靠且有代表性的相關數據，并處理這些數據，以執行對目標工業應用的環境檢測和預見性維護。

1 SAW傳感器與數據采集

1.1 SAW傳感器

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

另外，利用已有的路由協議進行系統設計。TinyOS[12]內存占用與低功耗微控制器架構相兼容，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議。TinyOS-2.x提供了即芯片配置(見圖1)。在配置射頻調制解調器后，Xe1203Uart可以處理常見的數字數據傳輸活動。硬件對傳輸報頭進行模式匹配，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制解調器，在硬件層對該模式進行檢測，并用于觸發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中開發的軟件層

1.2 SAW傳感器的數據采集

本文使用SAW技術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行監測，以評估另一個測量或通信是否正在進行中。

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

3) 利用RF器件的數字通信功能，向詢問器發送應答信號。

4) 通過定標系數將頻率轉換為物理量。

圖2為輸入電信號的接收及將其轉換為SAW傳感器上聲波的方式。

圖2 SAW傳感器詢問系統架構

2 基于詢問器的數據傳輸

所提方法中，硬件使用無線電調制解調器作為中央處理單元的外圍設備，以對無源傳感器應答進行探測。在獲取必要信息后，重新配置無線電調制解調器，以實現數字通信。點對點配置中，數據匯聚節點的能量約束很小(始終處于喚醒狀態)，數據源可能是電池供電，所有在未發生詢問或通信時，需要通過切換到睡眠模式并關閉所有外圍設備來節約能量。但該方法在所有節點參與到多跳網絡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同時發送管理

網絡由4類節點組成。每類節點在網絡中發揮不同作用，以將數據包轉發至根節點(見圖3)。圖3中的4類節點產生的數據有：

1) 生成器產生要發送至根節點的數據。

2) 嗅探器僅可偵聽轉發的數據包。

3) 網絡內處理器攔截并更新轉發的數據包。

4) 用戶為根節點，對轉發數據包進行接收采集。

圖3 4種類型的節點

同時發送的詢問器之間會產生沖突，實際應用中，干擾會顯著降低網絡效率和可靠性。通常，兩種情況下會發生干擾，即

1) 在節點探測傳感器應答時，附近一些節點正在通信，此時，發射的無線電頻率脈沖可能會與鄰近節點產生干擾。

2) 當若干個節點同時發送一些通信數據包時，可能會產生沖突。上述情況會造成數據包受損和丟失。

Xe1203無線電調制解調器未進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訪問，以避免網絡出現干擾。

2.1.2先聽后送方法

為允許鄰近節點同時發送消息，需要設計介質訪問控制機制。在本文研究的無線局域網中，介質為電磁環境，對于某個給定頻率，介質不可被一個以上的網絡實體使用。

本文使用先聽后送(LBT)方法，其中每個節點在發送數據前先對介質進行偵聽以檢測其他節點的活動。若介質為空閑，則節點可立即發送；否則，將發送操作延遲隨機選定的時長。

建筑給排水工程施工前應做好以下幾個方面的準備：①擬定科學的施工方案，設計合理的施工圖紙，選用適宜的安裝工藝、材料以及使用設備，做出恰當的人員安排等；②制定工程施工相關的規章制度，提高一線操作人員的技術水平，采用適宜的責權劃分和獎懲機制；③根據施工設計的要求和標準，合理預留、預埋管道。

當兩個節點同時發送數據時，無法檢測到介質使用，仍會發生沖突。此時，通過上層網絡層處理該沖突，如使用確認系統，要求對丟失數據包進行重傳。

2.1.3媒體訪問控制層的設計

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。該組件負責偵聽介質，并指示是否存在另一個正在發送數據的網絡實體。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可用性。其提供請求訪問介質的功能，并在介質空閑時發出回調信號。

2.1.4在TinyOS內使用MAC層

由于通信部分和傳感器詢問模塊可能會在網絡中產生干擾，兩者均使用了MAC層。詢問傳感器的節點，以及在網絡中通信的節點，均應該等待至介質為可用，TinyOS為封裝平臺相依組件，因此可在Xe1203層添加一個MAC層，而無需對上層進行調整。

2.2 詢問器網絡通信

此類網絡將詢問器讀取的傳感器測量數據傳遞至網絡采集點(也稱為根節點或匯聚節點)。

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

(1)

為計算一個節點的ETX，必須估計該節點與其父節點之間的鏈路質量。假定兩個節點間的匯聚節點是非對稱的，則分別對入鏈和出鏈進行估計。節點A、B間鏈路質量為節點A至節點B的數據包傳輸的成功概率，該概率是指鏈路的數據包接收率(PRR)：

(2)

式中：Nreceived為接受到的數據包數量；Ntotal為鏈路數據包總數量。

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

2.2.2路由的發現和維護

高效的采集網絡應能夠發現將數據轉發至匯聚節點的最優路徑。在網絡拓撲發生變化時，應調整或更換路徑。采集樹協議利用節點估計，找到通往根節點的最優路徑，在節點需要轉發數據包的情況下，采集樹協議在鄰近節點中找到具有最低ETX的節點。由此，利用節點的不同ETX來發現路由。

當節點的ETX低于其父節點時，網絡會中斷。在向匯聚節點傳遞消息時，后續節點的ETX是遞減的。若ETX沿路徑增加，則會產生回路。特殊情況下，網絡必須改變至匯聚節點的路徑。若節點被關閉、替換或移動，則網絡可能需要尋找新路徑。

網絡中的每個節點有其自身的網絡拓撲表現形式。為維護其表現形式，節點利用自適應信標方法與鄰近節點共享估計。事實上，只有在網絡不穩定時，節點才需要共享數據。利用自適應信標，使得網絡可以在必要時快速進行調整，其他時候則盡量減少節點使用。

3 數據測量結果與開發

3.1 測量結果

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行模擬。模擬傳感器的特性取決于信噪比及RF鏈路預算，因此，服務質量信息必須與每個測量結果關聯，以便用戶評估每次測量的有效性和準確性。每個測量值都是多個傳感器詢問的平均結果，該均值操作與平均樣本上標準偏差的計算能力相關。因此，向用戶提供3個等級的服務質量：

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

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

3) 若發射功率達到極限，通過分析返回功率得到返回信號的質量，其邊界應與模數轉換器的邊界保持一定距離。

圖4 本文測量平臺實物

將多次測量結果上的標準偏差作為服務質量指標，用于計算標準偏差的樣本數量是有效性分析的強制性因素；如果在將數值傳輸給用戶時，在超時前可進行一次采集，則標準偏差為空，但與服務質量無關。

圖5為應用定標系數對諧振頻率測量值與溫度進行轉換前的原始數據。由圖5(a)可知，在數據驗證中，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。圖5(b)中的數據用以探測傳感器信號。發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轉換器的中等范圍，因此，發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算較差。通過標準偏差上的閾值，高效移除離群點。

圖5 實驗期間的原始測量結果

對于靜態傳感器，若協同目標在允許范圍內，則可成功獲得大部分傳感器雷達截面屬性，即可得到預定數量的平均值。在對溫度信息的質量進行遠程驗證后，必須通過網狀網絡傳輸該信息，對數據傳輸相關的數據丟失風險進行評估。數字通信基于MAC共享RF頻譜，在循環冗余校驗的基礎上評估傳輸期間的數據損壞情況，并進行基于路由協議的多跳通信。

3.2 數據開發

本文進行了持續1年半的室內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據方面的可靠性，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。安裝在室內的1個傳感器得到1 717 415個有用數據，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單元的距離均為10 m，通過自動喚醒每5 min采集一次數據。實驗中，讀取器連接主電源，無喚醒時長限制，對圖5所示的原始數據進行處理后得到該數據集。

圖6 推導出溫度并進行一致性檢驗的結果

圖7 通過無線鏈路采集到的樣本

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

由此，對于得出的數據集，用戶可以在溫度結果上定義各種過濾器，僅保留合理范圍內的數據，防止誤警(見圖7)。事實上，傳感器收集的數據包含應該保留的與系統和環境相關的有用數據[13]。數據預處理步驟后，首先進行數據處理，以提取相關特征，并建立健康指標以對系統健康狀態進行建模。然后，使用這些特征作為專門設計的故障檢測、故障診斷和故障預測算法的輸入，以提醒用戶系統可能的故障，并估計系統剩余工作時間。最后，利用該信息，采取合適的系統操作相關決策。決策可能包含中止系統、變更控制規則、修改任務、重新配置組件利用等。

4 結束語

本文提出了基于無線SAW傳感器網絡的工業系統監測平臺。系統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傳感器進行探測。傳感數據經過多跳路由，在一個或多個采集點完成數據采集。將傳感器捕捉到的信息路由到平臺，以支持工業系統監測，評估系統健康狀態。多個傳感器和詢問器可擴展網絡覆蓋，提升數據可靠性，且可處理包含不同類型的傳感器網絡。