2004 年，BP 開(kāi)始接觸一種名為‘塵埃’（Mote ）的無(wú)線(xiàn)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、一塊永久非易失的儲(chǔ)存器、一個(gè)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(mén)總監(jiān)Harry Cassar 說(shuō)：“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(lái)是設(shè)計(jì)精密且?guī)缀鯖](méi)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)證這種想法的唯一途徑就是測(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(méi)有停滯在這個(gè)階段。事實(shí)上這個(gè)工程的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠應(yīng)用在BP 全球工業(yè)生產(chǎn)中的一套商用無(wú)線(xiàn)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 的第一個(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(méi)有認(rèn)證的無(wú)線(xiàn)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(guò)金屬水密門(mén)封閉。此外，來(lái)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(mén)與BP 運(yùn)輸部門(mén)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(mén)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(lái)監(jiān)視如馬達(dá)、泵之類(lèi)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(guò)震動(dòng)信息來(lái)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(lái)，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(guò)有線(xiàn)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(méi)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的Mote 和網(wǎng)關(guān)通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(guò)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)于工作于國(guó)際環(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(guò)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(lái)自Mote 的數(shù)據(jù)。
問(wèn)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(wèn)題，這些問(wèn)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！敖饘偈巧漕l能量的一個(gè)強(qiáng)大的反射體，”Crossbow 科技公司高級(jí)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(méi)有辦法通過(guò)發(fā)送接收裝置得到信息。
解決這個(gè)問(wèn)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(guò)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(shuō)。“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(wú)法做到的。而mesh 網(wǎng)絡(luò)的靈活性能解決這樣的問(wèn)題。”
設(shè)備安全性
另外一個(gè)與環(huán)境相關(guān)的問(wèn)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(kāi)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(shuō)。
如何處理所有數(shù)據(jù)
在項(xiàng)目的最后階段，項(xiàng)目組又面臨一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，那就是要想準(zhǔn)確地確定機(jī)械問(wèn)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(guò)在Mote 上處理大批的數(shù)據(jù)，來(lái)減少傳輸給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)量。剛開(kāi)始時(shí)，Mote 用的是8 位的處理器，然而這被證明滿(mǎn)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(shuō)，“在一些實(shí)際應(yīng)用中，你可能需要通過(guò)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(guò)軟件增強(qiáng)了Mote 的處理性能。“最典型的是你可以在Mote 上作FFT 和其它計(jì)算來(lái)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(shuō)，“為了做一些更高級(jí)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(shuō)，“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(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)商用系統(tǒng)的過(guò)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(wèn)題越來(lái)越被關(guān)注。為了解決這些問(wèn)題，研究小組采用了低功率無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸量，”Cassar 說(shuō)，“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(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)維修的高效自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而這些工作以前大都由人來(lái)完成。“操作人員通過(guò)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(shuō)，“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。
先進(jìn)的平臺(tái)能很好地配合這種特殊的應(yīng)用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)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。
