2.2 工业现场多源数据智能感知技术体系

2.2.1 数据采集技术

1.传感器技术

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。在研究自然现象和规律以及生产活动中，单靠人们自身的感觉器官，远远不够。为适应这种情况，就需要传感器。利用传感器捕获信息是获取自然和生产领域中信息的主要途径。

传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。

作为物联网中的信息感知与采集设备，传感器利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备在正常状态或最佳状态工作，并使产品达到最好的质量。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术是物联网感知层最核心的技术之一，并且其在发展经济、推动社会进步方面的重要作用十分明显。

（1）传感器工作原理及分类 根据传感器工作原理的不同，可分为物理传感器和化学传感器。物理传感器应用的是物理效应，诸如压电、磁致伸缩、离化、极化、热电、光电、磁电等效应，被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。但有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。化学传感器的技术问题较多，如可靠性问题、规模生产的可能性、价格问题等，解决了这类问题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器、霍尔式（磁性）传感器、流量传感器和速度传感器等。

1）温度传感器。常见的温度传感器包括热敏电阻、半导体温度传感器以及温差电偶，如图2-2所示。

热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性来测量温度。根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护以及温控报警等。

半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉、线性度好等优点。

温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化。由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200～2000℃。

2）压力传感器。常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号，如图2-3所示。

3）湿度传感器。湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别，如图2-4所示。

电阻式湿度传感器也称为湿敏电阻，它利用氯化锂、碳、陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。

电容式湿度传感器也称为湿敏电容，它利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。

4）光传感器。光传感器可以分为光敏电阻和光电传感器两个大类，如图2-5所示。

光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。

光电传感器主要包括光电二极管和光电晶体管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。光电二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光电晶体管在光照时，其集电极、发射极导通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了把光电二极管和光电晶体管与后续信号处理电路制作成一个芯片集成的光传感器。

光传感器的不同种类可以覆盖可见光、红外线（热辐射）以及紫外线等波长范围的传感应用。

5）霍尔式（磁性）传感器。霍尔式传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器，如图2-6所示。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而受到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔式传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度，如图2-7所示。

采用不同结构的霍尔式传感器，能够间接测量电流、振动、位移、速度、加速度和转速等，具有广泛的应用价值。

6）流量传感器。流量传感器的种类繁多，按照组成结构和原理可分为压差式、流阻式等，选型的关键参数包括测量的连续性、重复性、准确度、量程比和响应时间等。

电磁流量计普遍适用于稍具电导率流体的流量测量，适应范围广泛；在管道中没有阻力件，也没有可动部件，因而压力损失小；信号变换与处理技术不断改善，因而测量精度高、可靠性好。图2-8所示是电磁流量计测量原理图。电磁流量传感器从结构上可以划分为管道式电磁流量传感器和插入式电磁流量传感器，其结构分别如图2-9和图2-10所示。近年来，插入式电磁流量探头的出现使其使用范围更加广泛。

目前，流量传感器主要以压差式流量传感器、流阻式流量传感器和超声波流量传感器为主。在日常生活中，流量传感器主要应用在污水处理和煤气计量等场合。电磁流量计结构紧凑，体积小，安装、操作、维护方便，如测量系统采用智能化设计，整体密封强，能够在恶劣的环境下正常工作。选用电磁流量计，可以满足污水流量测量的要求。

在工业生产中，经常需要精确计量和控制气体的流速和流量。随着现代化生产技术的发展和自动化管理水平的提高，企业对气体测量要求越来越高。焦炉煤气由于冷却、净化等原因，总是含有一定的杂质，高炉煤气也含有较多的杂质，寻找适合于各类煤气的计量仪表始终是困扰企业的技术难题。为了实现煤气的综合利用，经过多年论证实践，煤气流量测量中采用了超声波流量计，达到了较好的效果。

7）速度传感器。速度传感器是列车控制系统中的一个基础传感器，为列车提供速度信息，作为决策控制的依据。速度传感器根据工作原理可分为三种：光电式、电磁式和霍尔式。各类传感器虽原理不同，但工作方式类似。以霍尔式传感器为例，它以霍尔效应为基础，当导体内有电流，在垂直电流方向加上磁场，载流子受洛伦兹力偏向两极，继而产生霍尔电压。霍尔式速度传感器具有输出信号质量高、测量频率范围宽、体积小、稳定性高和使用寿命长等优点，被广泛应用于各类测速系统。

电磁感应式速度传感器的工作原理为：假设齿轮为待测速度元件，齿轮位于传感器头部正对的位置，齿轮转动时，由于轮齿的存在，会在齿轮和传感器头部直接产生规律性的变化，从而影响电磁感应传感器的感应线圈中的磁通量。根据法拉第电磁感应定律，在线圈磁通量改变的情况下，就会出现感应电动势，且基于该电动势形成的传感器输出电压与齿轮转动的速度成正比。由于电磁式速度传感器是以电磁作为中间量进行测速，故而容易受到周围环境带来的电磁干扰，从而产生误输出，也正是因为这个原因，电磁感应式速度传感器不适用于高速（如8～260km/h）情况下的测速。

与电磁式速度传感器相比，光电式速度传感器采用机械传动原理进行速度测量。光电式速度传感器的探测头通过对齿轮轮齿间通过的光进行计数，将光脉冲转换为电脉冲，再通过相关的计算，将电脉冲的计数倒推至光脉冲数，从而计算出列车的速度值。图2-11所示为光电式速度传感器的内部结构。

（2）传感器技术的发展趋势 传感器的发展正朝着小型化和智能化方向发展，其中最具代表性的是微机电系统传感器和智能传感器。

MEMS传感器由于体积小、功耗低，便于集成，在物联网时代应用非常广泛。它是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的MEMS传感器包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。MEMS传感器的出现体现了当前传感器的小型化发展趋势。

智能传感器是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微控制器（MCU）结合的方式来制造。如图2-12所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微控制器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统，易于实现。此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。

（3）传感器的特性

1）传感器的静态特性。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作为横坐标，把与其对应的输出量作为纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

①线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。其定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

②灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比，通常用S表示。

③迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间，其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

④重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

⑤漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化的现象。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

2）传感器的动态特性。所谓动态特性，是指传感器在输入变化时的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

3）传感器的线性度。通常情况下，传感器的实际静态特性输出是曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度（非线性误差）就是近似程度的一个性能指标。

4）传感器的灵敏度。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δy对输入量变化Δx的比值。它是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间为线性关系，则灵敏度S是一个常数；否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量准确度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。

5）传感器的分辨率。分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器无法分辨输入量的变化。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相关性。

2.基于RFID标签识别技术

（1）RFID简介 射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号，实现对目标对象的自动识别并获取相关数据。

RFID是物联网感知层的关键技术之一。物联网感知层需要感知各种物体，如何快速辨识物体是一个非常重要的问题，RFID这种非接触式自动识别技术的出现很好地解决了这一问题，成为物品识别最有效的方式。

RFID的基本技术原理起源于第二次世界大战时期，最初是利用无线电数据技术来识别敌我双方的飞机和军舰的。战后，由于较高的成本，该技术一直主要应用于军事领域，并未在民用领域得到快速推广应用。直到20世纪八九十年代，随着芯片和电子技术的提高和普及，欧洲开始率先将RFID技术应用到公路收费等民用领域。

21世纪初，RFID技术迎来了一个崭新的发展时期，其在民用领域的价值开始得到世界各国的广泛关注，特别是在西方发达国家，RFID技术大量应用于生产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪等民用领域中，其新的应用范围还在不断扩展，层出不穷。RFID在沃尔玛超市的成功应用成为一个典型案例，据SANFORD C. BERNSTEIN公司的零售业分析师估计，通过采用RFID，沃尔玛每年可以节省83.5亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。尽管另外一些分析师认为超80亿美元这个数字过于乐观，但毫无疑问，RFID有助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗（因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品），而现在仅盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元。研究机构估计，RFID技术能够将失窃和存货水平降低25%。

从目前国内发展情况来看，RFID在很多领域都得到了实际应用，包括物流、烟草、医药、身份证、门票、宠物管理等。RFID的实施成本，也随着其应用的推广和市场的扩大而逐步降低，RFID的应用将会从目前的托盘或整箱的货物跟踪逐步扩展到单品货物跟踪的水平。最后，从产业供应链角度看，国家目前提倡的产业升级，就是要使我国企业多生产高技术、高附加值、高利润产品，而这些领域，正是RFID的用武之地。产业升级将带动我国企业提升市场竞争能力，逐步由单体企业的竞争上升为产业供应链的竞争。

（2）RFID技术原理 根据电磁理论，电能产生磁，磁也能产生电。RFID阅读器与标签之间的无线射频通信正是基于此电磁互感原理。根据实现方式不同，RFID通信可分别采用电感耦合和电磁耦合两种不同技术实现。

电感耦合的基本原理和生活中的变压器类似，阅读器和标签的天线都是一匝导线线圈，当阅读器天线电流发生变化时，会产生一个交变的电磁场，交变的电磁场会使标签天线产生电势差，从而产生感应电流，该感应电流可以驱动标签内部的逻辑电路使之工作。通过改变阅读器天线的阻抗，可以影响天线的电流大小，进而改变标签天线的感应电流大小，实现信息传输的目的。

电磁耦合的实现方式则与电感耦合略有不同，图2-13描述了阅读器与标签之间电磁耦合实现无线通信的基本原理。阅读器天线上流动的电流会产生交变电磁场，标签进入该电磁场范围内，标签天线会产生感应电流。同样地，标签天线上产生的感应电流，又会激发出新的电磁场，且频率与阅读器发出的电磁场频率一致，但能量要相对微弱得多，可称为反射电磁波。标签发出的反射电磁波遇到阅读器天线，又会诱导阅读器天线产生微弱的感应电流，通过一定的技术手段，能够使阅读器检测到该感应电流，从而实现双向通信。正因为如此，采用电磁耦合方式实现的RFID通信网络又被称为反向散射网络（Backscatter Network）。

在RFID反向散射网络通信链路中，由于阅读器天线通常具有稳定的能源供应，射频信号传输更加可控，因而下行链路（从阅读器到标签）也更加可靠，传输速度也更快。而由于标签本身无自身能源供应，其获得的感应电流也非常微弱，因此上行链路信号传输非常不可靠，传输速度也要远小于下行链路。在主流的超高频RFID系统中，下行链路传输速度为25.6kbit/s，而上行链路传输速度仅为53kbit/s。

（3）RFID系统组成 一般来说，一个典型的RFID系统应该由以下三个部分组成：一个后台服务器（Backend Server）、一个或多个阅读器（Reader）和数量众多的RFID标签（Tag），其大致系统组成如图2-14所示。

1）阅读器。阅读器是一个完整RFID系统中最重要的部件，它将收集到的信息在其内部进行控制和处理。它的主要功能是与电子标签进行数据交换：起初，处于阅读器范围内的电子标签处于沉默状态，当阅读器收到计算机系统发来的读取标签指令后，激活全部标签并读取数据，再将收集到的数据加工处理，返还给计算机系统。通常，阅读器由射频接口、控制接口、天线三部分构成。如图2-15所示。

其中，射频接口为激活的电子标签提供能量。控制接口用来控制系统软件与电子标签之间的通信过程，完成电子标签的身份验证，并对接收和发送的数据进行加密和解密。同时，控制接口还要负责标签防碰撞算法的处理。天线发射并接收射频信号，同时完成电磁波和电流信号之间的转换。

2）电子标签。RFID标签又称电子标签，由耦合元件、微型天线和芯片三部分组成，每个标签内部都包含一个唯一的电子编码（ID），通常被贴附在管理对象上起到标识作用，是RFID系统中真正的信息载体。当标签进入阅读器信号覆盖范围时，标签凭借感应电流择机将自身ID发送出去。按供电方式的不同，可将标签分为被动标签（Passive Tags）、半被动标签（Semi-Passive Tags）、主动标签（Active Tags）三类。被动标签内部没有电源供应，靠阅读器提供能量来接收和发送信息，小巧方便。主动标签内部有电源供应，相比较被动标签来说，拥有较长的读取距离，但成本较高。半被动标签则介于两者之间。相比而言，被动标签成本低、体积小、部署容易，因此在实际系统中更受欢迎，应用也相对较多。另外，根据工作频率不同，标签又可以分为低频标签、高频标签和超高频标签三类。超高频标签通常使用860～960MHz的频率，具有较高的数据传输速率，典型识别距离可以达到5～10m。

标签组成结构如图2-16所示。其中，调制器和解调器对数据信号进行载波解调；电压调节器为标签提供稳定的直流电源；天线则用于标签对信号的接收和发送。

3）后台服务器。后台服务器主要负责RFID标签读取数据的存储及上层逻辑的处理，通过高速以太网与RFID阅读器相连。服务器可以向阅读器发出操作指令（Command），阅读器则可以将操作结果返回给服务器进行存储或者进一步的处理。由于高速以太网的数据传输速率远大于RFID通信速度，因此，在实际应用中通常直接忽略后台服务器与阅读器之间的通信开销，而只考虑阅读器与标签之间的通信开销。

（4）RFID标签识别方法 RFID标签识别的目标是识别系统内的所有标签。由于无源标签有限的能量及计算资源，且标签之间无法相互通信，标签无法通过自身调节来避免传输冲突，导致阅读器与标签间的通信仅能采用简单的时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）冲突避免机制来解决冲突碰撞问题。现有的大规模RFID防冲突识别算法可以分为确定性识别方法和非确定性识别方法两大类。

1）确定性识别方法。确定性识别算法主要以树形搜索的方式对标签标识符（ID）空间展开搜索以避免标签冲突，识别率能够达到100%，在识别可靠性要求较高的场合应用较多，又可细分为二进制树（Binary Search Tree, BT）和查询树（Query Tree, QT）两类方法。

QT识别算法是一种无状态识别协议，不要求标签保存任何中间状态，只需要对阅读器广播的标识符前缀进行匹配操作即可。阅读器首先广播二进制前缀x的查询，所有ID以x开头的标签会进行响应，如果只有1个标签响应，则阅读器成功识别该标签；若大于或等于两个以上的标签同时响应，阅读器收到冲突响应，则阅读器在前缀后增加0或者1，重新广播查询，直到识别系统内所有标签为止。

与QT协议的无状态不同，BT识别算法是有状态协议，要求每个标签保持一个计数器，初始值设定为0。阅读器不断广播时隙开始命令以协调系统内标签的操作，当计数器为0时，标签会立即进行响应并发送自身ID信息，否则保持沉默状态。时隙结束，阅读器会根据响应状况判断当前时隙是否发生标签冲突，并向标签广播返回ACK或NACK，标签根据阅读器广播信息调整自己的计数器。若收到NACK，则参与响应的标签随机选择在自身计数器上加0或1，未参与响应标签计数器直接加1；若收到ACK，参与当前时隙响应的标签被正确识别，后续时隙将保持沉默，未参与响应的标签计数器直接减1。此过程不断重复，直到系统内的标签均被正确识别。

2）非确定性识别协议。非确定性识别算法以时隙ALOHA划分为基础，将时间划分为帧，每一帧再划分为若干时隙。整个RFID识别过程由若干帧组成，每一帧开始时，阅读器首先向系统内所有标签广播帧长f，每个标签利用随机哈希函数在1-f时隙中选择一个时隙进行响应，发回自己的ID信息。如果只有1个标签选择某时隙，则该标签被成功识别，并在后续的识别过程中保持静默；若有多个标签选择某一时隙，则阅读器无法正确识别所有标签，这些标签需要继续等待在下一帧中再参与时隙选择并重新发送自身ID信息。非确定性算法无法保证在一定的时间内完成所有标签的识别，即识别率可能无法达到100%。

对于以时隙ALOHA划分的RFID识别算法，每一轮的帧长对总体识别性能至关重要。若帧长过大，则帧中会出现大量空时隙，导致时隙被浪费；若帧长过小，则帧中大部分时隙为冲突时隙，使得大量标签需要参与下一帧重传。因此，帧长过大或过小均会造成时隙利用率的降低，进而导致识别效率低下。针对系统内标签规模与帧长的对应关系，Lee等人提出了以最大时隙利用率为目标的一种动态帧长优化机制。当系统标签规模为n，帧长为f时，根据二项分布，该帧中单时隙数量的数学期望可表示为

为了最大化时隙利用率，即单时隙数量占整个帧长的比例最大，采用简单的求极值方法，即当f=n时，时隙利用率取到最大值e-1，约为36.8%。换言之，当帧长和未识别标签数量相等时，时隙利用率可以取到最大值。

3.基于UWB实时定位技术

（1）UWB技术介绍 超宽带（Ultra-WindBand, UWB）技术凭借其超宽的信号带宽、较低的发射功耗以及高数据传输速率等特点，被认为是最有发展前景的无线电技术之一。近年来随着“泛在无线通信”概念的提出，无线局域网、无线个域网和无线体域网等短距离无线应用逐渐渗透到人们的生活当中。UWB技术正是定位于短距离无线通信这一广阔的应用领域，特别是最近物联网应用的兴起，UWB技术可以作为物联网的基础通信技术之一，实现不同设备之间的互联互通。同时UWB技术还可以应用于精确定位、雷达跟踪等领域，成为目前学术研究和业界关注的重点技术。

UWB无线通信的历史可以追溯到20世纪50年代，早期的UWB系统利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，主要应用于军用雷达以及低截获率/低侦测率的通信系统。2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。规定中将相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统。FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1～10.6GHz，发射机的有效各向同性发射功率不得高于-41dBm/MHz，如图2-17所示。

（2）UWB技术特点 UWB系统的主要性能特点及技术优势表现在以下几个方面：

1）UWB带来了全新的通信方式及频谱管理模式。多年来，传统的无线通信技术大都是基于正弦载波的，而消耗大量发射功率的载波本身并不传送信息，真正用来传送信息的是调制信号，即用某种调制方式对载频进行调制。而UWB系统可以采用无载波方式，即不使用正弦载波信号，直接调制超短窄脉冲，从而产生一个数GHz量级的大带宽。这种传输方式上的革命性变化将带来一种崭新的无线通信方式。同时，作为一种与其他现存传统无线技术共享频带的无线通信技术，对于目前日益紧张的、有限的频谱资源，UWB技术有其独特的优势，全球频谱规划组织也对其表示高度关注和支持。所以，UWB不仅仅只是一项革命性的技术，它更是一段免许可证的频谱资源。目前FCC开放的频段是3.1～10.6GHz, UWB可共用7.5GHz的频带。

2）抗多径能力强。UWB发射的是持续时间极短的单周期脉冲，且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，因此具有很强的抗多径能力。多径衰落一直是传统无线通信难以解决的问题，而UWB信号由于带宽达数GHz，具有高分辨率，能分辨出时延达纳秒级的多径信号，而恰好室内等多径场合的多径时延一般也是纳秒级的。这样，UWB系统在接收端可以实现多径信号的分集接收。UWB信号的抗多径衰落的固有鲁棒性特别适合于室内等多径、密集场合的无线通信应用。但UWB信号极高的多径分辨率也导致信号能量产生严重的时间弥散（频率选择性衰落），接收机必须通过牺牲复杂度（增加分集阶数）以便捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折中考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。

3）定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度和穿透能力，采用UWB无线电通信，很容易将定位与通信合一，在室内和地下进行精确定位。信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。由于信号的超宽带特性，UWB系统的距离分辨精度是其他系统的成百上千倍。UWB信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨力可高达厘米级，这是其他窄带系统所无法比拟的。这使得UWB系统在完成通信的同时还能实现准确定位跟踪，定位与通信功能的融合极大地扩展了系统的应用范围。

4）保密性强。UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，功率谱密度低于自然的电子噪声，采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。由于UWB信号本身巨大的带宽及FCC对UWB系统的功率限制，使UWB系统相对于传统窄带系统的功率谱密度非常低。低功率谱密度使信号不易被截获，具有一定的保密性，同时使对其他窄带系统的干扰可以很小。

5）UWB具有超高速、超大容量、抗截获性好等诸多优点，UWB的低功耗特点对于用便携式电池供电的系统长时间工作是非常重要的。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，在10m的传输范围内，信号传输速率可达500Mbit/s。

6）系统结构简单，成本低，易数字化。UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，其发射机直接用脉冲小型激励天线，不需要功率放大器与混频器；同时在接收端，也不需要中频处理。UWB系统发射和接收的是超短窄脉冲，无须采用正弦载波而直接进行调制，接收机利用相关器能直接完成信号检测。这样，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等，而只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲。因此大大降低了系统复杂度，减小了收发信机的体积和功耗，易于数字化和采用软件无线电技术。实际上，随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现，已经有公司将这种系统集成到单芯片上。

（3）UWB的工作原理

1）MB-OFDM标准。UWB的MB-OFDM标准实现将7500MHz频谱带宽分为6个频段组和14个以528MHz带宽隔开的非重叠子频段，每个子频带的信号为一个OFDM信号，它由多个正交的子载波信号合成。根据各个UWB设备之间或UWB设备与其他无线通信设备之间的干扰情况，可以降低一个或多个子频带的发射功率，或取消一个或多个子频带的发射，以有效地降低干扰，提高网络性能，还可以通过抑制相应的子载波，更加精确地控制合成信号的频谱形状。

2）DS-UWB标准。脉冲无线电（DS-UWB）又名为IR-UWB，这种无线电技术以较短的脉冲为信息传输的载体。通过电磁场的基础理论可以得知，如果想要把信息放在载体上有效地传送出去，就要保证信息的载体不含有其他谐波分量，发射的信号为高频信号，才能保证发射技术的性能。目前应用最广泛的形式有高斯单脉冲、高斯包络脉冲、三角包络窄脉冲和基于正弦波的窄脉冲等几种脉冲。

（4）UWB实时定位方法 UWB定位根据测量参数来区分，主要有四种方法：基于信号接收强度（Received Signal Strength Indication, RSSI）法、基于信号到达角度（Angle of Arrival, AOA）法、基于到达时间（Time of Arrival, TOA）法和基于到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA）法。

1）基于信号接收强度法。在信号发射源强度稳定的情况下，接收信号强度和目标节点到基站距离成反比。通过获取接收信号的场强值（RSSI），根据信号衰减模型和发射信号的场强值得到标签与基站间的距离d，即

式中，λ为波长；P_l为发射功率；G_l为发射天线增益；G_r为接收天线增益；P_r为接收信号的场强值；k为损耗因子。

由于多径传播和非视距导致的标签、定位基站的发射、接收增益损耗都会影响距离值的计算。此时可以采用数学模型进行计算，即

式中，d₀为参考距离；PL₀为d₀处的信号强度；β为信道的衰减因子；εσ表示高斯分布N（0，σ），用来表示真实和估计得到的路径损耗误差；PL（d）为距离为d时的信号强度。

2）基于信号到达角度法。该方法通过测量标签与天线相位之前的角度来得到坐标位置。因而需要至少两个基站才能够实现定位。假定两个基站B_A和B_B，它们对应的坐标分别为（x_A，y_A）、（x_B，y_B），标签与参考轴的角度分别为θ_A、θ_B。目标节点的坐标（x_T，y_T）计算公式为

3）基于到达时间法。电磁信号在介质中传输需要时间，通过计算信号的传播时间便能得到标签与基站之间的距离。因此测量标签T_a至基站B（x_i，y_i）（i=A，B，C）的传播时间，则能确定标签至各个基站的距离，即

即AT=B。则可得标签的坐标为T=A-1B。在使用TOA法定位时，通过测量标签发射信号与基站接收信号的时间差，进而获得标签与基站的距离，因此需要尽可能实现标签与定位基站间的时钟同步性。然而标签与基站间的时钟严格同步却很难实现。

4）基于到达时间差法。与TOA法不同，TDOA法采用标签到各基站的距离差实现标签定位。假设有定位基站B（x_i，y_i）（i=A，B，C）和标签T以及标签至各个定位基站的距离D（d_i）（i=A，B，C），则标签至基站B_A和B_B的距离差为D_A-D_B则标签必位于以B_A和B_B为焦点、以D_A-D_B为焦距的双曲线上。同理标签亦位于以B_A和B_C为焦点、以D_A-D_C为焦距的双曲线上，即

考虑到标签和基站之间的准确距离无法获得，则可以通过测量标签信号到达基站的时间差间接获得距离差，即D_AB=cΔt_AB。其中，c为电磁信号在空气中的传播速度，Δt_AB为标签信号到达基站B_A和B_B的时间差。

在UWB定位系统中，一般默认使用TDOA法进行实时定位。然而，工业现场定位环境复杂、干扰众多，与此同时，由于严重遮挡和金属屏蔽，传感器无法收集足够的脉冲信息参数计算标签位置信息，因此无法保证每时每刻都有3个以上的UWB传感器同时接收到有源标签的脉冲信号。为了保证制造要素的在线能力，通过开启AOA法降低可定位的要求，虽然定位精度有所下降，但是依然能够实现30～40cm的位准确度。在考虑工业现场UWB部署问题时，AOA法仅能作为一种保证在线率的手段，理论分析时依然需要满足任意待定位区域中，对于有源标签发射的脉冲信号，至少有3个UWB传感器能够接收到。

4.基于ZigBee无线传感器网络车间环境监测技术

（1）无线传感器网络技术介绍 无线传感器网络（WSN）在新一代网络中扮演着关键性的角色，将是继因特网之后对21世纪人类生活方式产生重大影响和作用的IT热点技术，直接关系到国家政治、经济和社会安全，目前它也已成为国际竞争的焦点和制高点。早在1999年，美国的《商业周刊》就将无线传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。美国的MIT《技术评论》杂志在2003年时预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为未来改变世界十大新兴技术之首，同时美国《商业周刊》也将无线传感器网络列入未来四大高新技术产业之一。因此，发展我国具有自主知识产权的无线传感器网络技术，推动我国新型无线传感器网络产业的跨越式发展，对于我国在21世纪确立国际战略地位具有至关重要的意义。为此，我国政府部门将无线传感器网络列入了《信息产业科技发展“十一五”计划和2020年中长期规划（纲要）》，并于2006年将无线传感器网络列入了“973计划”。近几年，国家自然科学基金委也通过设立多个重点项目和一系列面上项目对无线传感器网络领域的研究给予了大力的支持。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业和商业等。

无线传感器网络的发展可以分为三个阶段，三个阶段的表现形式分别为智能传感器、无线智能传感器和无线传感器网络。智能传感器是利用微机控制芯片将计算和处理信息能力嵌入到传感器中，从而使传感器节点不但具有数据采集的能力，而且还具有数据滤波和处理信息能力；无线智能传感器就是在传感器的基础上加入了无线通信功能，很大程度上延长了传感器的感知范围，减低了传感器布置过程中的实施成本；无线传感器网络则将网络通信技术引入到无线传感器中，使传感器节点不再是孤立的感知单元，而成为能够进行信息交换、协调控制的有机整体，实现了物与物之间的互联通信，使感知技术触角深入每个角落。

（2）无线传感器网络的体系结构

1）无线传感器网络的系统架构。无线传感器网络由传感器节点（Sensor Node）、汇集节点（Sink Node）和管理节点（Manager Node）组成，如图2-18所示。大量传感器节点通过抛洒后随机分布于监测区域内部或附近，各节点间通过自组织方式构成网络。传感器节点对感知对象进行实时监测，在对监测到的数据进行初步处理以后，通过多条中继线路按照特定路由协议进行数据传输。在数据传输过程中，多个路由节点对所监测的数据进行有效处理后传输到汇聚节点，然后经过互联网、移动通信网络或者卫星传输到达最终管理终端。终端管理用户通过对传感器网络进行配置实现节点管理，发布数据监测任务以及收集感知数据。

无线传感器网络由大量的传感器节点构成，这些节点无须经过工程处理或预先定位而被密集地抛洒到要监测的区域来进行工作，所以需要传感器节点应该具有自组织特性。同时由于传感器节点都是嵌入式系统，处理能力、存储能力及通信能力相对较弱，需要使用多条路由来传输有效数据。另外，节点除了本地信息收集和数据处理外，也需要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，包括与其他节点相互协同工作将大量的原始数据处理后发给汇聚节点。

汇聚节点为传感器网络和外部网络的接口，通过网络协议转换实现管理节点与无线传感器网络间的通信。它将传感节点采集到的数据信息转发到外部网络上，同时亦向传感器网络发布来自管理节点的指令。

2）无线传感器网络的节点组成。无线传感器网络节点的典型结构可分为：传感模块、数据处理模块、通信模块和电源模块，如图2-19所示。

传感模块用于感知监测对象信息，并通过A/D转换器（ADC）将采集到的物理信号转换为数字信号；数据处理模块主要负责控制和协调节点各部分功能，并将节点采集到的数据及路由转发的数据进行的处理和存储；通信模块负责与传感器网络中的其他传感器节点进行通信，进行数据收发和控制信息交换；电源模块主要利用采用微型电池为传感器节点提供工作所需的电源。某些功能更加强大的传感器节点可能还包括其他辅助单元，如电源再生装置、移动系统和定位系统等。

3）无线传感器网络的体系结构。无线传感器网络的体系结构由网络通信协议、网络管理技术和应用支撑技术组成，如图2-20所示。

传感器网络通信协议与传统的传输控制协议/国际协议（TCP/IP）体系结构类似，主要由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，各层次功能如下：

①物理层。物理层主要负责信号的调制和数据的发送与接收。无线传感器网络中物理层的设计要根据感知对象实际情况而定，目前大部分传感器网络主要是基于无线电通信，但在某些特殊的情况下也可使用红外线和声波通信。无线通信要解决的问题主要是无线频段的选择、跳频技术以及扩频技术。无线传感器网络物理层是决定传感器网络的节点数量、成本及能耗的关键环节，是目前无线传感器网络的主要研究方向之一。其中能耗和成本是无线传感器网络两个最主要的性能指标，也是物理层协议设计过程中需要重点考虑的问题。

②数据链路层。数据链路层主要负责数据成帧、帧检查、介质访问和差错控制等。介质访问控制（Medium Access Control, MAC）协议主要用于为数据的传输建立连接以及在各节点间合理有效地分配网络通信资源，差错控制是为了保证源节点所发出的信息能够准确无误地到达目标节点。介质访问控制方法是否合理与高效，直接决定了传感器节点间协调的有效性和对网络拓扑结构的适应性，合理与高效的介质访问控制方法能够有效地减少传感器节点收发控制性数据的比率，进而减少能量损耗。

③网络层。网络层路由协议主要是负责为网络中任意两个需要通信的节点建立路由路径，传感器网络中大多数节点往往需要经过多次路由才能将数据发送到汇聚节点。路由算法执行效率的高低，直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率，路由算法设计时需要重点考虑能耗的问题。

④传输层。传输层主要负责数据流的控制和传输，并且以网络层为基础，为应用层提供一个高质量、高可靠性的数据传输服务。通过路由汇聚节点获取传感器网络的数据，并经Internet、移动通信网络和卫星等将采集数据传送给应用平台。

⑤应用层。应用层主要负责提供面向终端用户使用的各种应用服务，其中包括一系列基于监测任务的应用软件。应用层的任务分配、传感器管理协议和数据广播管理协议是应用层需要解决的三个核心问题。

（3）ZigBee通信流程 ZigBee无线传感器网络是整车生产车间环境监控系统的核心，负责通过各类传感器去感知被监测对象的各类环境实时数据，可以将其视为监控系统的执行单元，接收来自控制中心的各类命令并执行。

结合车间环境监控需求，ZigBee网络主要应该包含两大功能：一是进行ZigBee网络的建立；二是将各类网元加入此网络。环境控制总站所发出的各类指令由ZigBee协调器转发至相关的终端探测单元；而来自各类终端探测单元的环境实时监测信息业首先汇聚至协调器，再被转发至通用分组无线服务（General Packet Radio Service, GPRS）网络，最终抵达环境控制总站；路由器的功能是在终端与协调器之间进行信息的选路和转发。

ZigBee的数据通信流程可以归纳为以下三个主要步骤：

1）首先为系统加电，ZigBee自动进行自检和初始化操作，由微处理器单元（Micro Processor Unit, MPU）调用创建网络子程序。

2）MPU调用创建网络子程序之后便开始计时，时间定为10s。若10s已到，则通过查询命令来轮询所有的环境信息采集模块。

3）MPU等待来自采集单元的响应数据，并判断采集单元是否已经发来了数据。若确认收到采集单元数据，则判断是否收到了所有采集单元的数据，如果全部收到则结束，未全部收到则继续发送查询命令。假若MPU收不到采集单元信息，则开始为“无应答”进行计数，直到超过三次，转向继续判断是否收到了全部采集单元信息的状态。

（4）基于ZigBee无线传感器网络车间环境监测方法 目前的车间安全监控系统基本上采用有线传输方式，具有传输稳定、抗干扰性强等优点。以ZigBee无线传感器网络为基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很好地解决环境恶劣车间内的通信问题，且二次改装容易。结合ZigBee无线传感器网络成本低、功耗小、布置灵活方便等特点，设计了一种基于ZigBee的车间环境监测系统。该系统中的无线传感器节点具有自组网和无线路由功能，可以对整个需要监控的环境区域进行自由的接触式节点布置，并可实时采集、上传数据；将采集网络与地理信息系统（Geographic Information System, GIS）相连，为实时监控和预警提供了可靠数据源。

1）系统总体设计。基于ZigBee的车间环境监测系统采取统一监测、综合分析的方法，实现对车间生产过程的监测与预警，通过ZigBee无线传感器网络自动采集车间生产过程、设备与工作环境等数据；车间各种运行设备状况数据；人员、移动设备运行轨迹数据。采集到的各种数据通过现场总线实时传送到数据库，对数据进行统一分析。利用各种专家系统和BP神经网络算法以及一些规则库对可能存在的安全隐患和灾害进行判断与预测，实时地指导生产过程；对可能存在的安全隐患和灾害做出及时补救，并做出相应的告警。系统架构如图2-21所示。

2）系统组成。基于ZigBee的车间环境监测系统参考网络体系结构开放系统互连（OSI）模型确定现场实际需求的ZigBee无线传感器网络，将数据通过网关传输至存储器，利用专家库、信息库等将数据模型或设备信息提供给分析者，通过上位机和远程监控完成管理控制功能。系统结构如图2-22所示。

①采集区。ZigBee无线传感器网络覆盖整个工厂区域，固定数据采集节点和移动数据采集节点分别部署在车间各个需要监测的点位上，为系统提供可靠数据。

②传输区。ZigBee网关与工业现场总线相接，通过现场总线的稳定性和通用性，将采集到的数据实时准确地传输到上位机数据库，为上位机专家库、BP识别等提供采集数据。事实上，传输区即为无线和有线数据通路的接口部分。

③存储区。对采集到的数据进行存储和更新，为分析控制区提供信息。

④分析控制区。分析运算存储区提供的采集数据并做出决策，从而保证车间生产情况良好及设备的正常运转，若发现危险或问题，及时进行相应联动控制。

⑤网络发布区。实时监控和处理各种信息，可通过Internet上传各种信息和下达各种命令实现远程监测功能。

3）采集网络。ZigBee无线传感器网络支持两类物理设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。其中，FFD承担了网络协调者的功能，可以同网络中的任何设备通信，支持任何拓扑结构，是具有路由与中继功能的网络节点；RFD作为网络终端节点，相互间不能直接通信，只能通过FFD节点通信。结合车间实际情况，本系统采用网状网结构，包含传感器节点、路由器节点和网关节点。其中，传感器节点即为RFD，由核心芯片CC2430构成，每个传感器节点包含数个不同的传感器形成传感器采集组。传感器节点将采集到的数据通过ZigBee无线传感器网络传输给网关，距离远、信号弱的传感器节点通过多跳自组网中路由器的中继作用将采集数据传给网关。路由器节点为FFD，硬件同传感器节点，只是多了路由功能，起到中继和连接无线线路的功能，通过它可将传感器节点采集的数据上传，也可将自身所带传感器数据上传。网关节点为FFD，不带传感器，其他硬件和路由节点一样，负责将以它为中心的网状网数据汇总，与它交换数据的现场总线通过交换机相接，每个网关都有自己确定的物理地址，通过网络协议可以分配IP地址。采集网络结构如图2-23所示。

4）GIS数据库。GIS处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。结合GIS，有利于实现车间设备及重要监测物的集中管理和控制，提高工作人员的工作效率，及时、准确地获取各车间信息，直观地了解各种设备的运行状况。通过GIS数据库提供车间各种设备及监测点的实际物理地址，配合ZigBee无线传感器网络地址分配可以实现监测点的数据管理、现场监视及相关控制。完整的信息模型即一个数据齐全的GIS数据库是地理信息系统的基础，它涉及生产车间的各方面信息，包括各种地理空间实体、各网关的确切地理位置、设备的属性数据等。利用上述参数建立GIS数据库，并在此基础上构建地理图层和应用程序。将空间实体构成的地理图层按一定比例显示于控制中心地理信息系统的人机对话界面上，并将各个车间的属性数据与其进行链接，能随时查询各个车间的各项参数。GIS对不同系统之间的数据转换是通过其内部应用程序实现的。应用程序读取数据库中的信息、显示各车间综合监测数据，在地理图层上相对应的网关位置进行动态显示。当实时监测数据超出设定的安全系数范围时，将会通过算法激活预报警系统，并在相应界面位置上输出报警信息。同时在人机对话界面上工作人员可直接发出各种指令，对设备进行相应控制。GIS结构如图2-24所示。

5.基于WiFi无线传输机械状态监测技术

（1）WiFi无线传输技术

1）WiFi网络的组成。WiFi网络由以下几部分组成：

①站点。站点可以是手持无线设备，如PDA等，或者是一台PC。网络组成所需的最基本单元即为站点。

②基本服务单元（Basic Service Set, BSS）。几个站点加上一个基站便可以组成基本服务单元。在一个基本服务单元内的站点都可以直接进行相互通信，但如若想与其他基本服务单元内的站点进行通信，不通过BSS基站是不可能实现的。BSS是网络服务中最基本的单元。

③分配系统（Distribution System, DS）。BSS中所使用的媒介与DS所使用的媒介完全互相独立，依据必要的逻辑服务，地址由分配系统逐一分配给对应的目标站点，这样不仅可以实现把多个BSS无缝地整合到一起，更实现了对移动终端等设备的支持。将各个服务单元连接到一起的任务由DS负责。

④接入点（Access Point, AP）。接入点不仅能够被接入到分配系统，也可以作为普通站点。BSS里面的基站就称为接入点。

⑤扩展服务单元（Extended Service Set, ESS）。扩展服务单元由两部分组成，即分配系统和基本服务单元。其中，基本服务单元的存在方式有两种：由接入点将其与主干分配系统相连接，以及独立存在。无论哪种方式存在的基本单元都将被接入到其他基本服务单元中，至此便形成了一个扩展服务单元。

⑥关口（Portal）。关口的主要责任是把各种网络（如无线局域网、有线局域网或其他网络等）相互连接起来，它是一个逻辑成分。

2）WiFi网络操作模式。WiFi技术支持两种网络拓扑结构，分别是Ad-Hoc和Infrastructure。Ad-Hoc简称为P2P，是一种对等连接的结构，最常见的应用方式就是将两台笔记本计算机的其中一台接入互联网，通过无线网卡实现互联的两台笔记本计算机共享网络带宽。但是Ad-Hoc结构的网络只能适用于临时性的无线互联需求，如小型会议等，这是因为这种结构没有无线AP，使得网络通信效率较低。其拓扑结构如图2-25所示。

Infrastructure结构如图2-26所示，是WiFi网络应用最为广泛的结构。整个呈星形的网络是由无线AP和工作站共同搭建起来的结构，中间的无线AP扮演着桥接的角色，这样通过无线AP，所有的工作站就能够和其他有线或无线网络完成信息的交互。由于在这种结构中的无线AP决定着诸多关键因素，例如所支持工作站的数量、安全级别、WiFi热点的覆盖范围等，所以它是最为重要的部分。

3）WiFi网络的组建。WiFi由两部分组成：无线网卡和无线AP。无线AP在WiFi组建过程中负责将有线局域网和无线网络相互连接，具体的连接图如图2-27所示。

带有无线网卡的计算机能够方便地连接网络，是因为无线AP把连接进室内的有线宽带网转变为无线信号。一般无线AP的辐射范围可达数十米远，仅需要一个无线AP就可以满足普通家庭的使用需求，甚至只需要得到授权许可，一个性能良好的无线AP可以被多户人家共享。802.11b协议在一切硬件配置都很完整的状态下工作性能优良。它能将数据传输至上百米距离远处。而且通常其他协议如果数据移动速度很快会产生极高的误码率，而802.11b中的误码率可以得到明显降低。它能很方便地实现切换，如在设备和基站之间或是在设备和设备之间。

（2）设备状态监测技术 随着人工智能技术的发展，设备状态监测系统也一直在不断进步，原来的设备状态监测系统的核心是处理数据，现在逐步向知识处理转变。在这个阶段起到主导作用的仍然还是人类专家的知识，包括人类专家所拥有的领域知识、求解问题的方式方法。这类先进技术随着信号检测、数据和知识处理的统一结合，使用门槛进一步降低，不懂得专业技术的普通人员也能很快使用和掌握这项技术。

设备状态监测技术未来的发展会更加多元化和智能化，随着测试技术的发展和人工智能的发展，监测系统的在线智能化将是趋势（如美国的无人机），将会是社会发展的必需，可以将人工的损耗降到最低。现有的技术已经可以支持远程在线实时监测，但是新的监测项目和监测方法需要不断更新发展，很多基础设施的建设和换代需要解决，也需要不断地去积累应用经验。另外，设备状态监测的稳定性和安全性也需要进一步保障，这也是今后研究的重点和目标。远程在线实时监测和诊断技术能够更好地实现设备管理需求，充分体现数据的透明化和共享等目标，可以节省大量的人力资源，对故障预测提供很好的依据。物联网技术的不断更新发展，正在趋于将整个社会都智能化，工业现场的机械设备也是如此，将机组状态作为物联网体系的节点，随时掌握设备状态，是不远的将来的发展趋势。

随着设备在线状态监测与故障诊断技术的产生和发展，目前，该技术主要包括4个步骤：①对运行设备进行信号的釆集；②提取出采集到的众多信号中的特征信号；③通过处理识别出特征信号的模式；④进一步对模式进行分析，做出综合的系统决策。其功能框图如图2-28所示。

（3）基于WiFi无线传输设备状态监测方法

1）无线监测系统结构。针对设备状态监测具有监测数据量大且监测点数量多、分布广、布线困难、监测环境复杂等特点，考虑到无线传输节点传输速率低、能量有限等缺陷，采用在无线传输系统中对原始数据进行本地数据处理的方案，并将其应用到设备状态监测系统中。整体系统不仅拥有传统无线监测系统的优点，还能克服传统无线监测系统的不足，实现降低功耗、延长监测系统生命周期、提高监测准确率的目的。

图2-29所示为无线监测系统的总体结构。

无线监测系统主要包括三部分：数据采集部分、无线传输部分、上位机监测部分。各个部分实现的功能如下：

①数据采集部分。数据采集部分的主要作用是通过传感器对各个机械设备的运行状态信息进行采集。针对不同的机械设备或不同的监测目的，可以通过改变传感器的类型和安装位置以获得不同的监测数据。

②无线传输部分。这部分的主要作用是在本地数据处理单元对传感器采集到的数据进行有效特征数据的提取，然后通过无线传输单元，把处理后得到的有效数据经路由器发送给PC终端，最终完成有效数据的提取和无线传输过程。并且在本系统的后续应用中，可根据监测节点数量和监测距离等因素调节路由器的布置位置和数量来扩展通信距离，从而扩大无线监测系统的覆盖范围。

③上位机监测部分。这部分的主要作用是响应监测人员的各项操作，将接收到的有效数据基于QT进行界面显示和文档保存，其中的界面显示分为图形显示和数据显示两种形式，图形显示的形式能更直观地表现出机械运行状态，以便于人员观察和监测；数据显示的形式利于监测人员查找到设备运行状态的精确数值，提高监测的准确性和精确性。文档保存以便于监测人员的数据记录和后续分析利用。

2）硬件总体方案。依据所设计的无线监测系统的总体需求，无线传输部分具有压缩处理数据的功能，其具体结构框图如图2-30所示。整个硬件系统主要包括以下几部分：电源模块、STM32F411RE、USR-WiFi232-B模块和路由器。

其中，STM32F411RE的ADC通过I/O口采样得到数字量的传感器数据，然后CPU对其进行相关计算处理，提取有效特征数据并存储在存储器内；存储的有效数据又通过I/O口传输到USR-WiFi232-B模块的微处理器中，经过基频芯片和射频收发单元的压缩、功率放大等处理，最终通过天线无线传输给路由器；整个系统的各个硬件都由电源供电实现其功能。

3）软件总体设计。系统的应用程序主要包括：ADC对信号的采集和转换，微处理器提取有效数据，WiFi模块无线传输有效数据和基于QT的图形及数据显示、存储等程序。采用模块化设计思想编写软件程序，可以有效提高程序的可读性且便于查错。

系统上电后，首先进行的是软件程序的初始化工作，如图2-31所示，包括以下内容：硬件抽象层（HAL）库的初始化；系统时钟的初始化配置，开启MCU电源控制器，选择内部高速晶振，使用锁相环（PLL），使MCU主频率工作在100MHz；初始化外设通用输入/输出（GPIO）、通用同步/异步接收/发送器（USART）、ADC和定时器（Timer）。然后系统检验初始化工作是否准确完成，若配置过程中出现错误导致初始化失败，则会控制报错指示灯点亮，程序进入无限循环且不执行任何操作；若初始化顺利完成，就会调用Timer触发ADC外设进行采集信号；之后，MCU通过执行相应的软件程序算法处理采集到的信号，经运算处理得到的有效数据无线传输给PC显示终端，最后基于QT进行图像与数值的显示、保存以供分析人员观察和监测。图2-32为整个系统的软件流程图。