2.2 工業現場多源數據智能感知技術體系

2.2.1 數據采集技術

1.傳感器技術

人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。在研究自然現象和規律以及生產活動中，單靠人們自身的感覺器官，遠遠不夠。為適應這種情況，就需要傳感器。利用傳感器捕獲信息是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑。

傳感器是各種信息處理系統獲取信息的一個重要途徑。在物聯網中傳感器的作用尤為突出，是物聯網中獲得信息的主要設備。

作為物聯網中的信息感知與采集設備，傳感器利用各種機制把被觀測量轉換為一定形式的電信號，然后由相應的信號處理裝置來處理，并產生響應的動作。

在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備在正常狀態或最佳狀態工作，并使產品達到最好的質量。

傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

由此可見，傳感器技術是物聯網感知層最核心的技術之一，并且其在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用十分明顯。

（1）傳感器工作原理及分類 根據傳感器工作原理的不同，可分為物理傳感器和化學傳感器。物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電、磁致伸縮、離化、極化、熱電、光電、磁電等效應，被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器包括以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。

大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。但有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。化學傳感器的技術問題較多，如可靠性問題、規模生產的可能性、價格問題等，解決了這類問題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。

常見的傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、光傳感器、霍爾式（磁性）傳感器、流量傳感器和速度傳感器等。

1）溫度傳感器。常見的溫度傳感器包括熱敏電阻、半導體溫度傳感器以及溫差電偶，如圖2-2所示。

熱敏電阻主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性來測量溫度。根據材料的不同，熱敏電阻可以用于設備的過熱保護以及溫控報警等。

半導體溫度傳感器利用半導體器件的溫度敏感性來測量溫度，具有成本低廉、線性度好等優點。

溫差電偶則是利用溫差電現象，把被測端的溫度轉化為電壓和電流的變化。由不同金屬材料構成的溫差電偶，能夠在比較大的范圍內測量溫度，例如-200～2000℃。

2）壓力傳感器。常見的壓力傳感器在受到外部壓力時會產生一定的內部結構的變形或位移，進而轉化為電特性的改變，產生相應的電信號，如圖2-3所示。

3）濕度傳感器。濕度傳感器主要包括電阻式和電容式兩個類別，如圖2-4所示。

電阻式濕度傳感器也稱為濕敏電阻，它利用氯化鋰、碳、陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來探測濕度。

電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，它利用材料的介電系數的濕度敏感性來探測濕度。

4）光傳感器。光傳感器可以分為光敏電阻和光電傳感器兩個大類，如圖2-5所示。

光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來進行光探測。

光電傳感器主要包括光電二極管和光電晶體管，這兩種器件都是利用半導體器件對光照的敏感性。光電二極管的反向飽和電流在光照的作用下會顯著變大，而光電晶體管在光照時，其集電極、發射極導通，類似于受光照控制的開關。此外，為方便使用，市場上出現了把光電二極管和光電晶體管與后續信號處理電路制作成一個芯片集成的光傳感器。

光傳感器的不同種類可以覆蓋可見光、紅外線（熱輻射）以及紫外線等波長范圍的傳感應用。

5）霍爾式（磁性）傳感器。霍爾式傳感器是利用霍爾效應制成的一種磁性傳感器，如圖2-6所示。霍爾效應是指：把一個金屬或者半導體材料薄片置于磁場中，當有電流流過時，由于形成電流的電子在磁場中運動而受到磁場的作用力，會使得材料中產生與電流方向垂直的電壓差。可以通過測量霍爾式傳感器所產生的電壓的大小來計算磁場的強度，如圖2-7所示。

采用不同結構的霍爾式傳感器，能夠間接測量電流、振動、位移、速度、加速度和轉速等，具有廣泛的應用價值。

6）流量傳感器。流量傳感器的種類繁多，按照組成結構和原理可分為壓差式、流阻式等，選型的關鍵參數包括測量的連續性、重復性、準確度、量程比和響應時間等。

電磁流量計普遍適用于稍具電導率流體的流量測量，適應范圍廣泛；在管道中沒有阻力件，也沒有可動部件，因而壓力損失小；信號變換與處理技術不斷改善，因而測量精度高、可靠性好。圖2-8所示是電磁流量計測量原理圖。電磁流量傳感器從結構上可以劃分為管道式電磁流量傳感器和插入式電磁流量傳感器，其結構分別如圖2-9和圖2-10所示。近年來，插入式電磁流量探頭的出現使其使用范圍更加廣泛。

目前，流量傳感器主要以壓差式流量傳感器、流阻式流量傳感器和超聲波流量傳感器為主。在日常生活中，流量傳感器主要應用在污水處理和煤氣計量等場合。電磁流量計結構緊湊，體積小，安裝、操作、維護方便，如測量系統采用智能化設計，整體密封強，能夠在惡劣的環境下正常工作。選用電磁流量計，可以滿足污水流量測量的要求。

在工業生產中，經常需要精確計量和控制氣體的流速和流量。隨著現代化生產技術的發展和自動化管理水平的提高，企業對氣體測量要求越來越高。焦爐煤氣由于冷卻、凈化等原因，總是含有一定的雜質，高爐煤氣也含有較多的雜質，尋找適合于各類煤氣的計量儀表始終是困擾企業的技術難題。為了實現煤氣的綜合利用，經過多年論證實踐，煤氣流量測量中采用了超聲波流量計，達到了較好的效果。

7）速度傳感器。速度傳感器是列車控制系統中的一個基礎傳感器，為列車提供速度信息，作為決策控制的依據。速度傳感器根據工作原理可分為三種：光電式、電磁式和霍爾式。各類傳感器雖原理不同，但工作方式類似。以霍爾式傳感器為例，它以霍爾效應為基礎，當導體內有電流，在垂直電流方向加上磁場，載流子受洛倫茲力偏向兩極，繼而產生霍爾電壓。霍爾式速度傳感器具有輸出信號質量高、測量頻率范圍寬、體積小、穩定性高和使用壽命長等優點，被廣泛應用于各類測速系統。

電磁感應式速度傳感器的工作原理為：假設齒輪為待測速度元件，齒輪位于傳感器頭部正對的位置，齒輪轉動時，由于輪齒的存在，會在齒輪和傳感器頭部直接產生規律性的變化，從而影響電磁感應傳感器的感應線圈中的磁通量。根據法拉第電磁感應定律，在線圈磁通量改變的情況下，就會出現感應電動勢，且基于該電動勢形成的傳感器輸出電壓與齒輪轉動的速度成正比。由于電磁式速度傳感器是以電磁作為中間量進行測速，故而容易受到周圍環境帶來的電磁干擾，從而產生誤輸出，也正是因為這個原因，電磁感應式速度傳感器不適用于高速（如8～260km/h）情況下的測速。

與電磁式速度傳感器相比，光電式速度傳感器采用機械傳動原理進行速度測量。光電式速度傳感器的探測頭通過對齒輪輪齒間通過的光進行計數，將光脈沖轉換為電脈沖，再通過相關的計算，將電脈沖的計數倒推至光脈沖數，從而計算出列車的速度值。圖2-11所示為光電式速度傳感器的內部結構。

（2）傳感器技術的發展趨勢 傳感器的發展正朝著小型化和智能化方向發展，其中最具代表性的是微機電系統傳感器和智能傳感器。

MEMS傳感器由于體積小、功耗低，便于集成，在物聯網時代應用非常廣泛。它是一種由微電子、微機械部件構成的微型器件，多采用半導體工藝加工。目前已經出現的MEMS傳感器包括壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴嘴和硬盤驅動頭等。MEMS傳感器的出現體現了當前傳感器的小型化發展趨勢。

智能傳感器是一種具有一定信息處理能力的傳感器，目前多采用把傳統的傳感器與微控制器（MCU）結合的方式來制造。如圖2-12所示，在傳統的傳感器構成的應用系統中，傳感器所采集的信號通常要傳輸到系統中的主機中進行分析處理；而由智能傳感器構成的應用系統中，其包含的微控制器能夠對采集的信號進行分析處理，然后把處理結果發送給系統中的主機。智能傳感器能夠顯著減小傳感器與主機之間的通信量，并簡化了主機軟件的復雜程度，使得包含多種不同類別的傳感器應用系統，易于實現。此外，智能傳感器常常還能進行自檢、診斷和校正。

（3）傳感器的特性

1）傳感器的靜態特性。傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作為橫坐標，把與其對應的輸出量作為縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。

①線性度：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。其定義為在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

②靈敏度：靈敏度是傳感器靜態特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應輸入量增量之比，通常用S表示。

③遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間，其輸入輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。

④重復性：重復性是指傳感器在輸入量按同一方向做全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。

⑤漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現象。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環境（如溫度、濕度等）。

2）傳感器的動態特性。所謂動態特性，是指傳感器在輸入變化時的輸出特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

3）傳感器的線性度。通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線，線性度（非線性誤差）就是近似程度的一個性能指標。

4）傳感器的靈敏度。靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。它是輸出-輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間為線性關系，則靈敏度S是一個常數；否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量準確度。但靈敏度越高，測量范圍越窄，穩定性也往往越差。

5）傳感器的分辨率。分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化，當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器無法分辨輸入量的變化。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發生變化。通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩定性有負相關性。

2.基于RFID標簽識別技術

（1）RFID簡介 射頻識別（RFID）技術是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻信號，實現對目標對象的自動識別并獲取相關數據。

RFID是物聯網感知層的關鍵技術之一。物聯網感知層需要感知各種物體，如何快速辨識物體是一個非常重要的問題，RFID這種非接觸式自動識別技術的出現很好地解決了這一問題，成為物品識別最有效的方式。

RFID的基本技術原理起源于第二次世界大戰時期，最初是利用無線電數據技術來識別敵我雙方的飛機和軍艦的。戰后，由于較高的成本，該技術一直主要應用于軍事領域，并未在民用領域得到快速推廣應用。直到20世紀八九十年代，隨著芯片和電子技術的提高和普及，歐洲開始率先將RFID技術應用到公路收費等民用領域。

21世紀初，RFID技術迎來了一個嶄新的發展時期，其在民用領域的價值開始得到世界各國的廣泛關注，特別是在西方發達國家，RFID技術大量應用于生產自動化、門禁、公路收費、停車場管理、身份識別、貨物跟蹤等民用領域中，其新的應用范圍還在不斷擴展，層出不窮。RFID在沃爾瑪超市的成功應用成為一個典型案例，據SANFORD C. BERNSTEIN公司的零售業分析師估計，通過采用RFID，沃爾瑪每年可以節省83.5億美元，其中大部分是因為不需要人工查看進貨的條碼而節省的勞動力成本。盡管另外一些分析師認為超80億美元這個數字過于樂觀，但毫無疑問，RFID有助于解決零售業兩個最大的難題：商品斷貨和損耗（因盜竊和供應鏈被攪亂而損失的產品），而現在僅盜竊一項，沃爾瑪一年的損失就差不多有20億美元。研究機構估計，RFID技術能夠將失竊和存貨水平降低25%。

從目前國內發展情況來看，RFID在很多領域都得到了實際應用，包括物流、煙草、醫藥、身份證、門票、寵物管理等。RFID的實施成本，也隨著其應用的推廣和市場的擴大而逐步降低，RFID的應用將會從目前的托盤或整箱的貨物跟蹤逐步擴展到單品貨物跟蹤的水平。最后，從產業供應鏈角度看，國家目前提倡的產業升級，就是要使我國企業多生產高技術、高附加值、高利潤產品，而這些領域，正是RFID的用武之地。產業升級將帶動我國企業提升市場競爭能力，逐步由單體企業的競爭上升為產業供應鏈的競爭。

（2）RFID技術原理 根據電磁理論，電能產生磁，磁也能產生電。RFID閱讀器與標簽之間的無線射頻通信正是基于此電磁互感原理。根據實現方式不同，RFID通信可分別采用電感耦合和電磁耦合兩種不同技術實現。

電感耦合的基本原理和生活中的變壓器類似，閱讀器和標簽的天線都是一匝導線線圈，當閱讀器天線電流發生變化時，會產生一個交變的電磁場，交變的電磁場會使標簽天線產生電勢差，從而產生感應電流，該感應電流可以驅動標簽內部的邏輯電路使之工作。通過改變閱讀器天線的阻抗，可以影響天線的電流大小，進而改變標簽天線的感應電流大小，實現信息傳輸的目的。

電磁耦合的實現方式則與電感耦合略有不同，圖2-13描述了閱讀器與標簽之間電磁耦合實現無線通信的基本原理。閱讀器天線上流動的電流會產生交變電磁場，標簽進入該電磁場范圍內，標簽天線會產生感應電流。同樣地，標簽天線上產生的感應電流，又會激發出新的電磁場，且頻率與閱讀器發出的電磁場頻率一致，但能量要相對微弱得多，可稱為反射電磁波。標簽發出的反射電磁波遇到閱讀器天線，又會誘導閱讀器天線產生微弱的感應電流，通過一定的技術手段，能夠使閱讀器檢測到該感應電流，從而實現雙向通信。正因為如此，采用電磁耦合方式實現的RFID通信網絡又被稱為反向散射網絡（Backscatter Network）。

在RFID反向散射網絡通信鏈路中，由于閱讀器天線通常具有穩定的能源供應，射頻信號傳輸更加可控，因而下行鏈路（從閱讀器到標簽）也更加可靠，傳輸速度也更快。而由于標簽本身無自身能源供應，其獲得的感應電流也非常微弱，因此上行鏈路信號傳輸非常不可靠，傳輸速度也要遠小于下行鏈路。在主流的超高頻RFID系統中，下行鏈路傳輸速度為25.6kbit/s，而上行鏈路傳輸速度僅為53kbit/s。

（3）RFID系統組成 一般來說，一個典型的RFID系統應該由以下三個部分組成：一個后臺服務器（Backend Server）、一個或多個閱讀器（Reader）和數量眾多的RFID標簽（Tag），其大致系統組成如圖2-14所示。

1）閱讀器。閱讀器是一個完整RFID系統中最重要的部件，它將收集到的信息在其內部進行控制和處理。它的主要功能是與電子標簽進行數據交換：起初，處于閱讀器范圍內的電子標簽處于沉默狀態，當閱讀器收到計算機系統發來的讀取標簽指令后，激活全部標簽并讀取數據，再將收集到的數據加工處理，返還給計算機系統。通常，閱讀器由射頻接口、控制接口、天線三部分構成。如圖2-15所示。

其中，射頻接口為激活的電子標簽提供能量。控制接口用來控制系統軟件與電子標簽之間的通信過程，完成電子標簽的身份驗證，并對接收和發送的數據進行加密和解密。同時，控制接口還要負責標簽防碰撞算法的處理。天線發射并接收射頻信號，同時完成電磁波和電流信號之間的轉換。

2）電子標簽。RFID標簽又稱電子標簽，由耦合元件、微型天線和芯片三部分組成，每個標簽內部都包含一個唯一的電子編碼（ID），通常被貼附在管理對象上起到標識作用，是RFID系統中真正的信息載體。當標簽進入閱讀器信號覆蓋范圍時，標簽憑借感應電流擇機將自身ID發送出去。按供電方式的不同，可將標簽分為被動標簽（Passive Tags）、半被動標簽（Semi-Passive Tags）、主動標簽（Active Tags）三類。被動標簽內部沒有電源供應，靠閱讀器提供能量來接收和發送信息，小巧方便。主動標簽內部有電源供應，相比較被動標簽來說，擁有較長的讀取距離，但成本較高。半被動標簽則介于兩者之間。相比而言，被動標簽成本低、體積小、部署容易，因此在實際系統中更受歡迎，應用也相對較多。另外，根據工作頻率不同，標簽又可以分為低頻標簽、高頻標簽和超高頻標簽三類。超高頻標簽通常使用860～960MHz的頻率，具有較高的數據傳輸速率，典型識別距離可以達到5～10m。

標簽組成結構如圖2-16所示。其中，調制器和解調器對數據信號進行載波解調；電壓調節器為標簽提供穩定的直流電源；天線則用于標簽對信號的接收和發送。

3）后臺服務器。后臺服務器主要負責RFID標簽讀取數據的存儲及上層邏輯的處理，通過高速以太網與RFID閱讀器相連。服務器可以向閱讀器發出操作指令（Command），閱讀器則可以將操作結果返回給服務器進行存儲或者進一步的處理。由于高速以太網的數據傳輸速率遠大于RFID通信速度，因此，在實際應用中通常直接忽略后臺服務器與閱讀器之間的通信開銷，而只考慮閱讀器與標簽之間的通信開銷。

（4）RFID標簽識別方法 RFID標簽識別的目標是識別系統內的所有標簽。由于無源標簽有限的能量及計算資源，且標簽之間無法相互通信，標簽無法通過自身調節來避免傳輸沖突，導致閱讀器與標簽間的通信僅能采用簡單的時分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）沖突避免機制來解決沖突碰撞問題。現有的大規模RFID防沖突識別算法可以分為確定性識別方法和非確定性識別方法兩大類。

1）確定性識別方法。確定性識別算法主要以樹形搜索的方式對標簽標識符（ID）空間展開搜索以避免標簽沖突，識別率能夠達到100%，在識別可靠性要求較高的場合應用較多，又可細分為二進制樹（Binary Search Tree, BT）和查詢樹（Query Tree, QT）兩類方法。

QT識別算法是一種無狀態識別協議，不要求標簽保存任何中間狀態，只需要對閱讀器廣播的標識符前綴進行匹配操作即可。閱讀器首先廣播二進制前綴x的查詢，所有ID以x開頭的標簽會進行響應，如果只有1個標簽響應，則閱讀器成功識別該標簽；若大于或等于兩個以上的標簽同時響應，閱讀器收到沖突響應，則閱讀器在前綴后增加0或者1，重新廣播查詢，直到識別系統內所有標簽為止。

與QT協議的無狀態不同，BT識別算法是有狀態協議，要求每個標簽保持一個計數器，初始值設定為0。閱讀器不斷廣播時隙開始命令以協調系統內標簽的操作，當計數器為0時，標簽會立即進行響應并發送自身ID信息，否則保持沉默狀態。時隙結束，閱讀器會根據響應狀況判斷當前時隙是否發生標簽沖突，并向標簽廣播返回ACK或NACK，標簽根據閱讀器廣播信息調整自己的計數器。若收到NACK，則參與響應的標簽隨機選擇在自身計數器上加0或1，未參與響應標簽計數器直接加1；若收到ACK，參與當前時隙響應的標簽被正確識別，后續時隙將保持沉默，未參與響應的標簽計數器直接減1。此過程不斷重復，直到系統內的標簽均被正確識別。

2）非確定性識別協議。非確定性識別算法以時隙ALOHA劃分為基礎，將時間劃分為幀，每一幀再劃分為若干時隙。整個RFID識別過程由若干幀組成，每一幀開始時，閱讀器首先向系統內所有標簽廣播幀長f，每個標簽利用隨機哈希函數在1-f時隙中選擇一個時隙進行響應，發回自己的ID信息。如果只有1個標簽選擇某時隙，則該標簽被成功識別，并在后續的識別過程中保持靜默；若有多個標簽選擇某一時隙，則閱讀器無法正確識別所有標簽，這些標簽需要繼續等待在下一幀中再參與時隙選擇并重新發送自身ID信息。非確定性算法無法保證在一定的時間內完成所有標簽的識別，即識別率可能無法達到100%。

對于以時隙ALOHA劃分的RFID識別算法，每一輪的幀長對總體識別性能至關重要。若幀長過大，則幀中會出現大量空時隙，導致時隙被浪費；若幀長過小，則幀中大部分時隙為沖突時隙，使得大量標簽需要參與下一幀重傳。因此，幀長過大或過小均會造成時隙利用率的降低，進而導致識別效率低下。針對系統內標簽規模與幀長的對應關系，Lee等人提出了以最大時隙利用率為目標的一種動態幀長優化機制。當系統標簽規模為n，幀長為f時，根據二項分布，該幀中單時隙數量的數學期望可表示為

為了最大化時隙利用率，即單時隙數量占整個幀長的比例最大，采用簡單的求極值方法，即當f=n時，時隙利用率取到最大值e-1，約為36.8%。換言之，當幀長和未識別標簽數量相等時，時隙利用率可以取到最大值。

3.基于UWB實時定位技術

（1）UWB技術介紹 超寬帶（Ultra-WindBand, UWB）技術憑借其超寬的信號帶寬、較低的發射功耗以及高數據傳輸速率等特點，被認為是最有發展前景的無線電技術之一。近年來隨著“泛在無線通信”概念的提出，無線局域網、無線個域網和無線體域網等短距離無線應用逐漸滲透到人們的生活當中。UWB技術正是定位于短距離無線通信這一廣闊的應用領域，特別是最近物聯網應用的興起，UWB技術可以作為物聯網的基礎通信技術之一，實現不同設備之間的互聯互通。同時UWB技術還可以應用于精確定位、雷達跟蹤等領域，成為目前學術研究和業界關注的重點技術。

UWB無線通信的歷史可以追溯到20世紀50年代，早期的UWB系統利用占用頻帶極寬的超短基帶脈沖進行通信，主要應用于軍用雷達以及低截獲率/低偵測率的通信系統。2002年4月，美國聯邦通信委員會（FCC）發布了民用UWB設備使用頻譜和功率的初步規定。規定中將相對帶寬（信號帶寬與中心頻率之比）大于0.2或在傳輸的任何時刻帶寬大于500MHz的通信系統稱為UWB系統。FCC對UWB系統所使用的頻譜范圍規定為3.1～10.6GHz，發射機的有效各向同性發射功率不得高于-41dBm/MHz，如圖2-17所示。

（2）UWB技術特點 UWB系統的主要性能特點及技術優勢表現在以下幾個方面：

1）UWB帶來了全新的通信方式及頻譜管理模式。多年來，傳統的無線通信技術大都是基于正弦載波的，而消耗大量發射功率的載波本身并不傳送信息，真正用來傳送信息的是調制信號，即用某種調制方式對載頻進行調制。而UWB系統可以采用無載波方式，即不使用正弦載波信號，直接調制超短窄脈沖，從而產生一個數GHz量級的大帶寬。這種傳輸方式上的革命性變化將帶來一種嶄新的無線通信方式。同時，作為一種與其他現存傳統無線技術共享頻帶的無線通信技術，對于目前日益緊張的、有限的頻譜資源，UWB技術有其獨特的優勢，全球頻譜規劃組織也對其表示高度關注和支持。所以，UWB不僅僅只是一項革命性的技術，它更是一段免許可證的頻譜資源。目前FCC開放的頻段是3.1～10.6GHz, UWB可共用7.5GHz的頻帶。

2）抗多徑能力強。UWB發射的是持續時間極短的單周期脈沖，且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的，因此具有很強的抗多徑能力。多徑衰落一直是傳統無線通信難以解決的問題，而UWB信號由于帶寬達數GHz，具有高分辨率，能分辨出時延達納秒級的多徑信號，而恰好室內等多徑場合的多徑時延一般也是納秒級的。這樣，UWB系統在接收端可以實現多徑信號的分集接收。UWB信號的抗多徑衰落的固有魯棒性特別適合于室內等多徑、密集場合的無線通信應用。但UWB信號極高的多徑分辨率也導致信號能量產生嚴重的時間彌散（頻率選擇性衰落），接收機必須通過犧牲復雜度（增加分集階數）以便捕獲足夠的信號能量。這將對接收機設計提出嚴峻挑戰。在實際的UWB系統設計中，必須折中考慮信號帶寬和接收機復雜度，得到理想的性價比。

3）定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度和穿透能力，采用UWB無線電通信，很容易將定位與通信合一，在室內和地下進行精確定位。信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比。由于信號的超寬帶特性，UWB系統的距離分辨精度是其他系統的成百上千倍。UWB信號脈沖寬度在納秒級，其對應的距離分辨力可高達厘米級，這是其他窄帶系統所無法比擬的。這使得UWB系統在完成通信的同時還能實現準確定位跟蹤，定位與通信功能的融合極大地擴展了系統的應用范圍。

4）保密性強。UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內，功率譜密度低于自然的電子噪聲，采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。由于UWB信號本身巨大的帶寬及FCC對UWB系統的功率限制，使UWB系統相對于傳統窄帶系統的功率譜密度非常低。低功率譜密度使信號不易被截獲，具有一定的保密性，同時使對其他窄帶系統的干擾可以很小。

5）UWB具有超高速、超大容量、抗截獲性好等諸多優點，UWB的低功耗特點對于用便攜式電池供電的系統長時間工作是非常重要的。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，在10m的傳輸范圍內，信號傳輸速率可達500Mbit/s。

6）系統結構簡單，成本低，易數字化。UWB通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號，其發射機直接用脈沖小型激勵天線，不需要功率放大器與混頻器；同時在接收端，也不需要中頻處理。UWB系統發射和接收的是超短窄脈沖，無須采用正弦載波而直接進行調制，接收機利用相關器能直接完成信號檢測。這樣，收發信機不需要復雜的載頻調制解調電路和濾波器等，而只需要一種數字方式來產生超短窄脈沖。因此大大降低了系統復雜度，減小了收發信機的體積和功耗，易于數字化和采用軟件無線電技術。實際上，隨著半導體技術的發展和新型脈沖產生技術的不斷涌現，已經有公司將這種系統集成到單芯片上。

（3）UWB的工作原理

1）MB-OFDM標準。UWB的MB-OFDM標準實現將7500MHz頻譜帶寬分為6個頻段組和14個以528MHz帶寬隔開的非重疊子頻段，每個子頻帶的信號為一個OFDM信號，它由多個正交的子載波信號合成。根據各個UWB設備之間或UWB設備與其他無線通信設備之間的干擾情況，可以降低一個或多個子頻帶的發射功率，或取消一個或多個子頻帶的發射，以有效地降低干擾，提高網絡性能，還可以通過抑制相應的子載波，更加精確地控制合成信號的頻譜形狀。

2）DS-UWB標準。脈沖無線電（DS-UWB）又名為IR-UWB，這種無線電技術以較短的脈沖為信息傳輸的載體。通過電磁場的基礎理論可以得知，如果想要把信息放在載體上有效地傳送出去，就要保證信息的載體不含有其他諧波分量，發射的信號為高頻信號，才能保證發射技術的性能。目前應用最廣泛的形式有高斯單脈沖、高斯包絡脈沖、三角包絡窄脈沖和基于正弦波的窄脈沖等幾種脈沖。

（4）UWB實時定位方法 UWB定位根據測量參數來區分，主要有四種方法：基于信號接收強度（Received Signal Strength Indication, RSSI）法、基于信號到達角度（Angle of Arrival, AOA）法、基于到達時間（Time of Arrival, TOA）法和基于到達時間差（Time Difference of Arrival, TDOA）法。

1）基于信號接收強度法。在信號發射源強度穩定的情況下，接收信號強度和目標節點到基站距離成反比。通過獲取接收信號的場強值（RSSI），根據信號衰減模型和發射信號的場強值得到標簽與基站間的距離d，即

式中，λ為波長；P_l為發射功率；G_l為發射天線增益；G_r為接收天線增益；P_r為接收信號的場強值；k為損耗因子。

由于多徑傳播和非視距導致的標簽、定位基站的發射、接收增益損耗都會影響距離值的計算。此時可以采用數學模型進行計算，即

式中，d₀為參考距離；PL₀為d₀處的信號強度；β為信道的衰減因子；εσ表示高斯分布N（0，σ），用來表示真實和估計得到的路徑損耗誤差；PL（d）為距離為d時的信號強度。

2）基于信號到達角度法。該方法通過測量標簽與天線相位之前的角度來得到坐標位置。因而需要至少兩個基站才能夠實現定位。假定兩個基站B_A和B_B，它們對應的坐標分別為（x_A，y_A）、（x_B，y_B），標簽與參考軸的角度分別為θ_A、θ_B。目標節點的坐標（x_T，y_T）計算公式為

3）基于到達時間法。電磁信號在介質中傳輸需要時間，通過計算信號的傳播時間便能得到標簽與基站之間的距離。因此測量標簽T_a至基站B（x_i，y_i）（i=A，B，C）的傳播時間，則能確定標簽至各個基站的距離，即

即AT=B。則可得標簽的坐標為T=A-1B。在使用TOA法定位時，通過測量標簽發射信號與基站接收信號的時間差，進而獲得標簽與基站的距離，因此需要盡可能實現標簽與定位基站間的時鐘同步性。然而標簽與基站間的時鐘嚴格同步卻很難實現。

4）基于到達時間差法。與TOA法不同，TDOA法采用標簽到各基站的距離差實現標簽定位。假設有定位基站B（x_i，y_i）（i=A，B，C）和標簽T以及標簽至各個定位基站的距離D（d_i）（i=A，B，C），則標簽至基站B_A和B_B的距離差為D_A-D_B則標簽必位于以B_A和B_B為焦點、以D_A-D_B為焦距的雙曲線上。同理標簽亦位于以B_A和B_C為焦點、以D_A-D_C為焦距的雙曲線上，即

考慮到標簽和基站之間的準確距離無法獲得，則可以通過測量標簽信號到達基站的時間差間接獲得距離差，即D_AB=cΔt_AB。其中，c為電磁信號在空氣中的傳播速度，Δt_AB為標簽信號到達基站B_A和B_B的時間差。

在UWB定位系統中，一般默認使用TDOA法進行實時定位。然而，工業現場定位環境復雜、干擾眾多，與此同時，由于嚴重遮擋和金屬屏蔽，傳感器無法收集足夠的脈沖信息參數計算標簽位置信息，因此無法保證每時每刻都有3個以上的UWB傳感器同時接收到有源標簽的脈沖信號。為了保證制造要素的在線能力，通過開啟AOA法降低可定位的要求，雖然定位精度有所下降，但是依然能夠實現30～40cm的位準確度。在考慮工業現場UWB部署問題時，AOA法僅能作為一種保證在線率的手段，理論分析時依然需要滿足任意待定位區域中，對于有源標簽發射的脈沖信號，至少有3個UWB傳感器能夠接收到。

4.基于ZigBee無線傳感器網絡車間環境監測技術

（1）無線傳感器網絡技術介紹 無線傳感器網絡（WSN）在新一代網絡中扮演著關鍵性的角色，將是繼因特網之后對21世紀人類生活方式產生重大影響和作用的IT熱點技術，直接關系到國家政治、經濟和社會安全，目前它也已成為國際競爭的焦點和制高點。早在1999年，美國的《商業周刊》就將無線傳感器網絡列為21世紀最具影響的21項技術之一。美國的MIT《技術評論》雜志在2003年時預測未來技術發展報告中將無線傳感器網絡列為未來改變世界十大新興技術之首，同時美國《商業周刊》也將無線傳感器網絡列入未來四大高新技術產業之一。因此，發展我國具有自主知識產權的無線傳感器網絡技術，推動我國新型無線傳感器網絡產業的跨越式發展，對于我國在21世紀確立國際戰略地位具有至關重要的意義。為此，我國政府部門將無線傳感器網絡列入了《信息產業科技發展“十一五”計劃和2020年中長期規劃（綱要）》，并于2006年將無線傳感器網絡列入了“973計劃”。近幾年，國家自然科學基金委也通過設立多個重點項目和一系列面上項目對無線傳感器網絡領域的研究給予了大力的支持。

無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的應用領域可以歸納為軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業和商業等。

無線傳感器網絡的發展可以分為三個階段，三個階段的表現形式分別為智能傳感器、無線智能傳感器和無線傳感器網絡。智能傳感器是利用微機控制芯片將計算和處理信息能力嵌入到傳感器中，從而使傳感器節點不但具有數據采集的能力，而且還具有數據濾波和處理信息能力；無線智能傳感器就是在傳感器的基礎上加入了無線通信功能，很大程度上延長了傳感器的感知范圍，減低了傳感器布置過程中的實施成本；無線傳感器網絡則將網絡通信技術引入到無線傳感器中，使傳感器節點不再是孤立的感知單元，而成為能夠進行信息交換、協調控制的有機整體，實現了物與物之間的互聯通信，使感知技術觸角深入每個角落。

（2）無線傳感器網絡的體系結構

1）無線傳感器網絡的系統架構。無線傳感器網絡由傳感器節點（Sensor Node）、匯集節點（Sink Node）和管理節點（Manager Node）組成，如圖2-18所示。大量傳感器節點通過拋灑后隨機分布于監測區域內部或附近，各節點間通過自組織方式構成網絡。傳感器節點對感知對象進行實時監測，在對監測到的數據進行初步處理以后，通過多條中繼線路按照特定路由協議進行數據傳輸。在數據傳輸過程中，多個路由節點對所監測的數據進行有效處理后傳輸到匯聚節點，然后經過互聯網、移動通信網絡或者衛星傳輸到達最終管理終端。終端管理用戶通過對傳感器網絡進行配置實現節點管理，發布數據監測任務以及收集感知數據。

無線傳感器網絡由大量的傳感器節點構成，這些節點無須經過工程處理或預先定位而被密集地拋灑到要監測的區域來進行工作，所以需要傳感器節點應該具有自組織特性。同時由于傳感器節點都是嵌入式系統，處理能力、存儲能力及通信能力相對較弱，需要使用多條路由來傳輸有效數據。另外，節點除了本地信息收集和數據處理外，也需要存儲、管理和融合其他節點轉發過來的數據，包括與其他節點相互協同工作將大量的原始數據處理后發給匯聚節點。

匯聚節點為傳感器網絡和外部網絡的接口，通過網絡協議轉換實現管理節點與無線傳感器網絡間的通信。它將傳感節點采集到的數據信息轉發到外部網絡上，同時亦向傳感器網絡發布來自管理節點的指令。

2）無線傳感器網絡的節點組成。無線傳感器網絡節點的典型結構可分為：傳感模塊、數據處理模塊、通信模塊和電源模塊，如圖2-19所示。

傳感模塊用于感知監測對象信息，并通過A/D轉換器（ADC）將采集到的物理信號轉換為數字信號；數據處理模塊主要負責控制和協調節點各部分功能，并將節點采集到的數據及路由轉發的數據進行的處理和存儲；通信模塊負責與傳感器網絡中的其他傳感器節點進行通信，進行數據收發和控制信息交換；電源模塊主要利用采用微型電池為傳感器節點提供工作所需的電源。某些功能更加強大的傳感器節點可能還包括其他輔助單元，如電源再生裝置、移動系統和定位系統等。

3）無線傳感器網絡的體系結構。無線傳感器網絡的體系結構由網絡通信協議、網絡管理技術和應用支撐技術組成，如圖2-20所示。

傳感器網絡通信協議與傳統的傳輸控制協議/國際協議（TCP/IP）體系結構類似，主要由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成，各層次功能如下：

①物理層。物理層主要負責信號的調制和數據的發送與接收。無線傳感器網絡中物理層的設計要根據感知對象實際情況而定，目前大部分傳感器網絡主要是基于無線電通信，但在某些特殊的情況下也可使用紅外線和聲波通信。無線通信要解決的問題主要是無線頻段的選擇、跳頻技術以及擴頻技術。無線傳感器網絡物理層是決定傳感器網絡的節點數量、成本及能耗的關鍵環節，是目前無線傳感器網絡的主要研究方向之一。其中能耗和成本是無線傳感器網絡兩個最主要的性能指標，也是物理層協議設計過程中需要重點考慮的問題。

②數據鏈路層。數據鏈路層主要負責數據成幀、幀檢查、介質訪問和差錯控制等。介質訪問控制（Medium Access Control, MAC）協議主要用于為數據的傳輸建立連接以及在各節點間合理有效地分配網絡通信資源，差錯控制是為了保證源節點所發出的信息能夠準確無誤地到達目標節點。介質訪問控制方法是否合理與高效，直接決定了傳感器節點間協調的有效性和對網絡拓撲結構的適應性，合理與高效的介質訪問控制方法能夠有效地減少傳感器節點收發控制性數據的比率，進而減少能量損耗。

③網絡層。網絡層路由協議主要是負責為網絡中任意兩個需要通信的節點建立路由路徑，傳感器網絡中大多數節點往往需要經過多次路由才能將數據發送到匯聚節點。路由算法執行效率的高低，直接決定了傳感器節點收發控制性數據與有效采集數據的比率，路由算法設計時需要重點考慮能耗的問題。

④傳輸層。傳輸層主要負責數據流的控制和傳輸，并且以網絡層為基礎，為應用層提供一個高質量、高可靠性的數據傳輸服務。通過路由匯聚節點獲取傳感器網絡的數據，并經Internet、移動通信網絡和衛星等將采集數據傳送給應用平臺。

⑤應用層。應用層主要負責提供面向終端用戶使用的各種應用服務，其中包括一系列基于監測任務的應用軟件。應用層的任務分配、傳感器管理協議和數據廣播管理協議是應用層需要解決的三個核心問題。

（3）ZigBee通信流程 ZigBee無線傳感器網絡是整車生產車間環境監控系統的核心，負責通過各類傳感器去感知被監測對象的各類環境實時數據，可以將其視為監控系統的執行單元，接收來自控制中心的各類命令并執行。

結合車間環境監控需求，ZigBee網絡主要應該包含兩大功能：一是進行ZigBee網絡的建立；二是將各類網元加入此網絡。環境控制總站所發出的各類指令由ZigBee協調器轉發至相關的終端探測單元；而來自各類終端探測單元的環境實時監測信息業首先匯聚至協調器，再被轉發至通用分組無線服務（General Packet Radio Service, GPRS）網絡，最終抵達環境控制總站；路由器的功能是在終端與協調器之間進行信息的選路和轉發。

ZigBee的數據通信流程可以歸納為以下三個主要步驟：

1）首先為系統加電，ZigBee自動進行自檢和初始化操作，由微處理器單元（Micro Processor Unit, MPU）調用創建網絡子程序。

2）MPU調用創建網絡子程序之后便開始計時，時間定為10s。若10s已到，則通過查詢命令來輪詢所有的環境信息采集模塊。

3）MPU等待來自采集單元的響應數據，并判斷采集單元是否已經發來了數據。若確認收到采集單元數據，則判斷是否收到了所有采集單元的數據，如果全部收到則結束，未全部收到則繼續發送查詢命令。假若MPU收不到采集單元信息，則開始為“無應答”進行計數，直到超過三次，轉向繼續判斷是否收到了全部采集單元信息的狀態。

（4）基于ZigBee無線傳感器網絡車間環境監測方法 目前的車間安全監控系統基本上采用有線傳輸方式，具有傳輸穩定、抗干擾性強等優點。以ZigBee無線傳感器網絡為基礎的隨機部署、自動組網的無線傳輸方式可以很好地解決環境惡劣車間內的通信問題，且二次改裝容易。結合ZigBee無線傳感器網絡成本低、功耗小、布置靈活方便等特點，設計了一種基于ZigBee的車間環境監測系統。該系統中的無線傳感器節點具有自組網和無線路由功能，可以對整個需要監控的環境區域進行自由的接觸式節點布置，并可實時采集、上傳數據；將采集網絡與地理信息系統（Geographic Information System, GIS）相連，為實時監控和預警提供了可靠數據源。

1）系統總體設計。基于ZigBee的車間環境監測系統采取統一監測、綜合分析的方法，實現對車間生產過程的監測與預警，通過ZigBee無線傳感器網絡自動采集車間生產過程、設備與工作環境等數據；車間各種運行設備狀況數據；人員、移動設備運行軌跡數據。采集到的各種數據通過現場總線實時傳送到數據庫，對數據進行統一分析。利用各種專家系統和BP神經網絡算法以及一些規則庫對可能存在的安全隱患和災害進行判斷與預測，實時地指導生產過程；對可能存在的安全隱患和災害做出及時補救，并做出相應的告警。系統架構如圖2-21所示。

2）系統組成。基于ZigBee的車間環境監測系統參考網絡體系結構開放系統互連（OSI）模型確定現場實際需求的ZigBee無線傳感器網絡，將數據通過網關傳輸至存儲器，利用專家庫、信息庫等將數據模型或設備信息提供給分析者，通過上位機和遠程監控完成管理控制功能。系統結構如圖2-22所示。

①采集區。ZigBee無線傳感器網絡覆蓋整個工廠區域，固定數據采集節點和移動數據采集節點分別部署在車間各個需要監測的點位上，為系統提供可靠數據。

②傳輸區。ZigBee網關與工業現場總線相接，通過現場總線的穩定性和通用性，將采集到的數據實時準確地傳輸到上位機數據庫，為上位機專家庫、BP識別等提供采集數據。事實上，傳輸區即為無線和有線數據通路的接口部分。

③存儲區。對采集到的數據進行存儲和更新，為分析控制區提供信息。

④分析控制區。分析運算存儲區提供的采集數據并做出決策，從而保證車間生產情況良好及設備的正常運轉，若發現危險或問題，及時進行相應聯動控制。

⑤網絡發布區。實時監控和處理各種信息，可通過Internet上傳各種信息和下達各種命令實現遠程監測功能。

3）采集網絡。ZigBee無線傳感器網絡支持兩類物理設備：全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。其中，FFD承擔了網絡協調者的功能，可以同網絡中的任何設備通信，支持任何拓撲結構，是具有路由與中繼功能的網絡節點；RFD作為網絡終端節點，相互間不能直接通信，只能通過FFD節點通信。結合車間實際情況，本系統采用網狀網結構，包含傳感器節點、路由器節點和網關節點。其中，傳感器節點即為RFD，由核心芯片CC2430構成，每個傳感器節點包含數個不同的傳感器形成傳感器采集組。傳感器節點將采集到的數據通過ZigBee無線傳感器網絡傳輸給網關，距離遠、信號弱的傳感器節點通過多跳自組網中路由器的中繼作用將采集數據傳給網關。路由器節點為FFD，硬件同傳感器節點，只是多了路由功能，起到中繼和連接無線線路的功能，通過它可將傳感器節點采集的數據上傳，也可將自身所帶傳感器數據上傳。網關節點為FFD，不帶傳感器，其他硬件和路由節點一樣，負責將以它為中心的網狀網數據匯總，與它交換數據的現場總線通過交換機相接，每個網關都有自己確定的物理地址，通過網絡協議可以分配IP地址。采集網絡結構如圖2-23所示。

4）GIS數據庫。GIS處理、管理的對象是多種地理空間實體數據及其關系，包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據等，用于分析和處理在一定地理區域內分布的各種現象和過程，解決復雜的規劃、決策和管理問題。結合GIS，有利于實現車間設備及重要監測物的集中管理和控制，提高工作人員的工作效率，及時、準確地獲取各車間信息，直觀地了解各種設備的運行狀況。通過GIS數據庫提供車間各種設備及監測點的實際物理地址，配合ZigBee無線傳感器網絡地址分配可以實現監測點的數據管理、現場監視及相關控制。完整的信息模型即一個數據齊全的GIS數據庫是地理信息系統的基礎，它涉及生產車間的各方面信息，包括各種地理空間實體、各網關的確切地理位置、設備的屬性數據等。利用上述參數建立GIS數據庫，并在此基礎上構建地理圖層和應用程序。將空間實體構成的地理圖層按一定比例顯示于控制中心地理信息系統的人機對話界面上，并將各個車間的屬性數據與其進行鏈接，能隨時查詢各個車間的各項參數。GIS對不同系統之間的數據轉換是通過其內部應用程序實現的。應用程序讀取數據庫中的信息、顯示各車間綜合監測數據，在地理圖層上相對應的網關位置進行動態顯示。當實時監測數據超出設定的安全系數范圍時，將會通過算法激活預報警系統，并在相應界面位置上輸出報警信息。同時在人機對話界面上工作人員可直接發出各種指令，對設備進行相應控制。GIS結構如圖2-24所示。

5.基于WiFi無線傳輸機械狀態監測技術

（1）WiFi無線傳輸技術

1）WiFi網絡的組成。WiFi網絡由以下幾部分組成：

①站點。站點可以是手持無線設備，如PDA等，或者是一臺PC。網絡組成所需的最基本單元即為站點。

②基本服務單元（Basic Service Set, BSS）。幾個站點加上一個基站便可以組成基本服務單元。在一個基本服務單元內的站點都可以直接進行相互通信，但如若想與其他基本服務單元內的站點進行通信，不通過BSS基站是不可能實現的。BSS是網絡服務中最基本的單元。

③分配系統（Distribution System, DS）。BSS中所使用的媒介與DS所使用的媒介完全互相獨立，依據必要的邏輯服務，地址由分配系統逐一分配給對應的目標站點，這樣不僅可以實現把多個BSS無縫地整合到一起，更實現了對移動終端等設備的支持。將各個服務單元連接到一起的任務由DS負責。

④接入點（Access Point, AP）。接入點不僅能夠被接入到分配系統，也可以作為普通站點。BSS里面的基站就稱為接入點。

⑤擴展服務單元（Extended Service Set, ESS）。擴展服務單元由兩部分組成，即分配系統和基本服務單元。其中，基本服務單元的存在方式有兩種：由接入點將其與主干分配系統相連接，以及獨立存在。無論哪種方式存在的基本單元都將被接入到其他基本服務單元中，至此便形成了一個擴展服務單元。

⑥關口（Portal）。關口的主要責任是把各種網絡（如無線局域網、有線局域網或其他網絡等）相互連接起來，它是一個邏輯成分。

2）WiFi網絡操作模式。WiFi技術支持兩種網絡拓撲結構，分別是Ad-Hoc和Infrastructure。Ad-Hoc簡稱為P2P，是一種對等連接的結構，最常見的應用方式就是將兩臺筆記本計算機的其中一臺接入互聯網，通過無線網卡實現互聯的兩臺筆記本計算機共享網絡帶寬。但是Ad-Hoc結構的網絡只能適用于臨時性的無線互聯需求，如小型會議等，這是因為這種結構沒有無線AP，使得網絡通信效率較低。其拓撲結構如圖2-25所示。

Infrastructure結構如圖2-26所示，是WiFi網絡應用最為廣泛的結構。整個呈星形的網絡是由無線AP和工作站共同搭建起來的結構，中間的無線AP扮演著橋接的角色，這樣通過無線AP，所有的工作站就能夠和其他有線或無線網絡完成信息的交互。由于在這種結構中的無線AP決定著諸多關鍵因素，例如所支持工作站的數量、安全級別、WiFi熱點的覆蓋范圍等，所以它是最為重要的部分。

3）WiFi網絡的組建。WiFi由兩部分組成：無線網卡和無線AP。無線AP在WiFi組建過程中負責將有線局域網和無線網絡相互連接，具體的連接圖如圖2-27所示。

帶有無線網卡的計算機能夠方便地連接網絡，是因為無線AP把連接進室內的有線寬帶網轉變為無線信號。一般無線AP的輻射范圍可達數十米遠，僅需要一個無線AP就可以滿足普通家庭的使用需求，甚至只需要得到授權許可，一個性能良好的無線AP可以被多戶人家共享。802.11b協議在一切硬件配置都很完整的狀態下工作性能優良。它能將數據傳輸至上百米距離遠處。而且通常其他協議如果數據移動速度很快會產生極高的誤碼率，而802.11b中的誤碼率可以得到明顯降低。它能很方便地實現切換，如在設備和基站之間或是在設備和設備之間。

（2）設備狀態監測技術 隨著人工智能技術的發展，設備狀態監測系統也一直在不斷進步，原來的設備狀態監測系統的核心是處理數據，現在逐步向知識處理轉變。在這個階段起到主導作用的仍然還是人類專家的知識，包括人類專家所擁有的領域知識、求解問題的方式方法。這類先進技術隨著信號檢測、數據和知識處理的統一結合，使用門檻進一步降低，不懂得專業技術的普通人員也能很快使用和掌握這項技術。

設備狀態監測技術未來的發展會更加多元化和智能化，隨著測試技術的發展和人工智能的發展，監測系統的在線智能化將是趨勢（如美國的無人機），將會是社會發展的必需，可以將人工的損耗降到最低。現有的技術已經可以支持遠程在線實時監測，但是新的監測項目和監測方法需要不斷更新發展，很多基礎設施的建設和換代需要解決，也需要不斷地去積累應用經驗。另外，設備狀態監測的穩定性和安全性也需要進一步保障，這也是今后研究的重點和目標。遠程在線實時監測和診斷技術能夠更好地實現設備管理需求，充分體現數據的透明化和共享等目標，可以節省大量的人力資源，對故障預測提供很好的依據。物聯網技術的不斷更新發展，正在趨于將整個社會都智能化，工業現場的機械設備也是如此，將機組狀態作為物聯網體系的節點，隨時掌握設備狀態，是不遠的將來的發展趨勢。

隨著設備在線狀態監測與故障診斷技術的產生和發展，目前，該技術主要包括4個步驟：①對運行設備進行信號的釆集；②提取出采集到的眾多信號中的特征信號；③通過處理識別出特征信號的模式；④進一步對模式進行分析，做出綜合的系統決策。其功能框圖如圖2-28所示。

（3）基于WiFi無線傳輸設備狀態監測方法

1）無線監測系統結構。針對設備狀態監測具有監測數據量大且監測點數量多、分布廣、布線困難、監測環境復雜等特點，考慮到無線傳輸節點傳輸速率低、能量有限等缺陷，采用在無線傳輸系統中對原始數據進行本地數據處理的方案，并將其應用到設備狀態監測系統中。整體系統不僅擁有傳統無線監測系統的優點，還能克服傳統無線監測系統的不足，實現降低功耗、延長監測系統生命周期、提高監測準確率的目的。

圖2-29所示為無線監測系統的總體結構。

無線監測系統主要包括三部分：數據采集部分、無線傳輸部分、上位機監測部分。各個部分實現的功能如下：

①數據采集部分。數據采集部分的主要作用是通過傳感器對各個機械設備的運行狀態信息進行采集。針對不同的機械設備或不同的監測目的，可以通過改變傳感器的類型和安裝位置以獲得不同的監測數據。

②無線傳輸部分。這部分的主要作用是在本地數據處理單元對傳感器采集到的數據進行有效特征數據的提取，然后通過無線傳輸單元，把處理后得到的有效數據經路由器發送給PC終端，最終完成有效數據的提取和無線傳輸過程。并且在本系統的后續應用中，可根據監測節點數量和監測距離等因素調節路由器的布置位置和數量來擴展通信距離，從而擴大無線監測系統的覆蓋范圍。

③上位機監測部分。這部分的主要作用是響應監測人員的各項操作，將接收到的有效數據基于QT進行界面顯示和文檔保存，其中的界面顯示分為圖形顯示和數據顯示兩種形式，圖形顯示的形式能更直觀地表現出機械運行狀態，以便于人員觀察和監測；數據顯示的形式利于監測人員查找到設備運行狀態的精確數值，提高監測的準確性和精確性。文檔保存以便于監測人員的數據記錄和后續分析利用。

2）硬件總體方案。依據所設計的無線監測系統的總體需求，無線傳輸部分具有壓縮處理數據的功能，其具體結構框圖如圖2-30所示。整個硬件系統主要包括以下幾部分：電源模塊、STM32F411RE、USR-WiFi232-B模塊和路由器。

其中，STM32F411RE的ADC通過I/O口采樣得到數字量的傳感器數據，然后CPU對其進行相關計算處理，提取有效特征數據并存儲在存儲器內；存儲的有效數據又通過I/O口傳輸到USR-WiFi232-B模塊的微處理器中，經過基頻芯片和射頻收發單元的壓縮、功率放大等處理，最終通過天線無線傳輸給路由器；整個系統的各個硬件都由電源供電實現其功能。

3）軟件總體設計。系統的應用程序主要包括：ADC對信號的采集和轉換，微處理器提取有效數據，WiFi模塊無線傳輸有效數據和基于QT的圖形及數據顯示、存儲等程序。采用模塊化設計思想編寫軟件程序，可以有效提高程序的可讀性且便于查錯。

系統上電后，首先進行的是軟件程序的初始化工作，如圖2-31所示，包括以下內容：硬件抽象層（HAL）庫的初始化；系統時鐘的初始化配置，開啟MCU電源控制器，選擇內部高速晶振，使用鎖相環（PLL），使MCU主頻率工作在100MHz；初始化外設通用輸入/輸出（GPIO）、通用同步/異步接收/發送器（USART）、ADC和定時器（Timer）。然后系統檢驗初始化工作是否準確完成，若配置過程中出現錯誤導致初始化失敗，則會控制報錯指示燈點亮，程序進入無限循環且不執行任何操作；若初始化順利完成，就會調用Timer觸發ADC外設進行采集信號；之后，MCU通過執行相應的軟件程序算法處理采集到的信號，經運算處理得到的有效數據無線傳輸給PC顯示終端，最后基于QT進行圖像與數值的顯示、保存以供分析人員觀察和監測。圖2-32為整個系統的軟件流程圖。