CN202353611U - 一种无线传感器节点及无线传感器网络 - Google Patents

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Abstract

一种无线传感器节点及无线传感器网络：振动传感模块将采集的设备振动信号发给调理电路调理，经过AD模块的模数得到振动波形的原始数据值。由嵌入式处理器进行处理：网络采用星形结构，通过射频通信物理层模块将得到振动波形的原始数据值发给网关节点；网络采用簇形结构，根据原始数据值计算特征值，将特征值通过射频通信物理层模块发给网关节点，或者将特征值超过设定阈值的原始数据值通过射频通信物理层模块发给网关节点。将特征值或振动波形的原始数据值存储在存储器中，电池给嵌入式处理器进行供电。针对不同无线传感器网络振动采集需求，通过不同策略采集和传输表征设备状态的信息值，从而在低功耗、信息完整性和网络灵活性上达到优化。

Description

一种无线传感器节点及无线传感器网络
技术领域
本实用新型涉及采用无线技术对设备进行诊断的技术，特别涉及一种无线传感器节点及无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络技术应用于设备状态信息的采集和对设备状态的监控，例如，可以对高速功率的诸如车辆数量或车辆速度等信息进行采集，以其智能化及网络化的特点渗透到电力和物流等各个行业，是未来网络技术产业创新发展的重要方向。
随着无线传感器网络技术应用的扩展，特别是在工业设备诊断、建筑物结构检测以及大型基础设施检测等领域，对无线传感器网络的需求也越来越大，因而对具有采集设备的振动信号功能的无线传感器节点的需求也越来越高。
图1为现有技术提供的无线传感器网络结构示意图，包括多个无线传感器节点、网关节点及服务器组成，其中，
无线传感器节点，具有多个，用于分别采集设备的振动信号，并得出设备的特征值，发送给所属的网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的无线传感器节点发送的设备的特征值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的设备的特征值，根据设备的特征值诊断设备。
设备的振动信号为一种快速信号，采样频率高及数据量大，对于基于美国电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准的无线传感器节点，其功率和通信速率都不能满足应用的需求。例如，IEEE802.15.4的数据传输速率为250每秒千字节(kbps)，在对较大规模***采集设备的振动信号并传输时，无线传感器网络的网络容量就会无法满足需求。
在无线传感器节点采集设备的振动信号时都是采用周期采样后，计算振动信号的特征值，将设备的特征值传输的方法，设备的特征值所包含的设备分析信息量很少，不利于设备状态的判断。但是，如果将振动信号值，也就是振动波形的原始数据通过网关节点传输给服务器，可以利于设备状态的判断，但由于传输数据量大，对无线传感器节点的功耗和传输速率的需求就会提高。这就造成了无线传感器网络在实现设备检测并进行设备状态判断的矛盾。
目前，有几种具体的采用无线传感器网络实现设备检测并进行设备状态判断的方案。
方案一，公开日为2011年08月11日公开的，公开号为“CN102147612A”，发明名称为“一种基于32位微处理器的无线传感器网络数据采集***”的专利提出了一种基于32位微处理器的无线传感器网络数据采集***，由上位机和无线传感器网络***组成，无线传感器网络***包含协调节点、路由节点和传感器节点，节点中处理器模块采用32位微处理器，以提高处理速度和效率，避免8位和16位微处理器在多中断时出现时的冲突和数据丢失现象。
方案一为了保证无线传感器节点在传输数据量的稳定性，对无线传感器节点的处理器性能进行提高，但是对无线传感器节点的功耗和传输速率却没有改进。
方案二，公开日为2008年8月6日公开的，申请号为“200810100918”的专利申请，提出了一种工业无线传感器网络故障在线检测方法，传感器节点在多个时间点采集传感数据，并将传感数据上传给网络控制管理***，***对传感器节点的数据不稳定度和网络数据的不稳定度之间差异值进行计算，根据可信度的值初次判断所述传感器节点是否可疑：基于初次判断的结果和可信度序列，网络控制管理***进行可疑的传感器节点的不确定状态分布密度的计算，并根据可疑的传感器节点的计算的不确定状态的分布规律来最终判断传感器节点的故障。
方案二是通过判断传感器节点的故障来保证传感器在传输数据量过程中的稳定性，但是对无线传感器节点的功耗和传输速率却没有改进。
方案三，公开日为2008年7月30日，申请号为200810100918的名称的专利申请，提出了一种实现同步采集的方法、无线传感器网络***及同步装置，无线传感器网络***的同步装置接收触发消息，将所述触发消息发送到各无线传感器网络节点，各无线传感器网络节点开始传输或存储有效数据，所述有效数据为无线传感器网络节点在无线传感器网络***接收到触发消息之后所采集的数据，实现各无线传感器网络节点在同一时刻采集数据。
方案三只是公开了无线传感器节点同步数据采集的装置，但是对无线传感器节点的功耗和传输速率却没有改进。
方案四，公开日为2007年11月14日，申请号为200710039461的专利申请，提出了一种体域无线传感器网络及其信息采集传输方法，采用传感器节点的分布式自适应能耗优化机制，通过对通信***参数进行动态调整，降低能耗，提高网络性能，实现在共享人体域无线传输信道下的多种生理信号的传输。
方案四只是公开了通过对通信***参数的动态调整降低能耗，但是对无线传输器节点的传输速率却没有改进。
综上，现有的四个方案虽然采用了不同的方式实现了采用无线传感器网络对设备进行检测并判断设备状态，但是都无法解决在保证准确设备诊断的前提下，降低功耗，提高传输效率和灵活性。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种无线传感器节点，该无线传感器节点能够在保证准确诊断设备状态的基础上，有效地降低功耗及提高传输效率。
本实用新型还提供一种无线传感器网络，该无线传感器网络能够在保证准确诊断设备状态的基础上，有效地降低功耗及提高传输效率。
根据上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种无线传感器节点，包括：振动传感模块、调理电路、模数AD模块、嵌入式处理器、射频通信物理层模块、存储器及电池，其中，
振动传感模块，用于采集设备振动信号，将所采集的设备振动信号发送给调理电路；
调理电路，用于对振动传感模块发送的设备振动信号调理后，得到设备振动波形，发送给AD模块；
AD模块，用于对设备振动波形模数转换，得到设备振动波形的原始数据值，发送给嵌入式处理器；
嵌入式处理器，用于当无线传感器网络为星形结构且振动波形传输时，将设备振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；当无线传感器网络为簇形结构时，根据设备振动波形的原始数据值计算得到特征值，将所得到的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；
射频通信物理层模块，用于将从嵌入式处理器或存储器接收的设备振动波形的原始数据值或特征值发送出去；
存储器，用于存储设备振动波形的原始数据值或特征值；
电池，用于对嵌入式处理器进行供电。
所述存储器，还用于当发送设备振动波形的原始数据值或特征值失败时，存储设备振动波形的原始数据值或特征值；
在后续采样周期内，判断射频通信恢复正常，将存储器存储的振动波形的原始数据值或特征值再发送出去。
所述嵌入式处理器，还用于确定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，则将设备振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模决和存储器；如果否，执行将所得到的特征值发送给射频通信物理层模块和存储器的过程。
一种无线传感器网络，该网络结构为星形结构，用于振动波形的传输，多个无线传感器节点无线连接一个网关节点，多个网关节点通过有线方式连接到服务器上，其中，
无线传感器节点，用于采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到设备振动波形的原始数据值后，发送给所属网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的无线传感器节点发送的设备振动波形的原始数据值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的设备振动波形的原始数据值，根据设备振动波形的原始数据值诊断设备。
所述无线传感器节点，还用于将发送失败的设备振动波形的原始数据值进行存储，当在后续采样周期内的振动波形的原始数据值传输成功时，将存储的设备振动波形的原始数据值发送给网关节点。
该网络结构为簇形结构，用于特征值或者超过特征值阈值情况下的原始振动数据值传输，多个无线传感器节点无线连接一个簇头无线传感器节点，多个簇头无线传感器节点连接一个网关节点，多个网关节点再通过有线方式连接到服务器上，其中，
无线传感器节点，用于采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到设备振动波形的原始数据值后，根据所得到的设备振动波形的原始数据值计算得到特征值后，将所得到的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，发送给簇头无线传感器节点；
簇头无线传感器节点，用于接收无线传感器节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，发送给所属的网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的簇头无线传感器节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，诊断设备。
所述无线传感器节点，还用于将发送失败的特征值存储，当在后续采样周期的特征值传输成功时，将存储的特征值发送给网关节点。
所述无线传感器节点，还用于确定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，则将设备振动波形的原始数据值发送并存储；如果否，执行将所得到的特征值发送并存储的过程。
从上述方案可以看出，本实用新型中的无线传感器节点由振动传感模块、调理电路、模数(AD)模块、嵌入式处理器、射频通信物理层模块、存储器及电池组成，其中，振动传感模块将采集的设备振动信号发送给调理电路调理，经过AD模块的模数转换后得到振动波形的原始数据值。由嵌入式处理器进行处理：当需要采集原始振动波形时，网络采用星形结构，通过射频通信物理层模块将得到振动波形的原始数据值发送给网关节点；当需要低功耗运行时，网络采用簇形结构，根据得到振动波形的原始数据值计算特征值，按照用户预先设置的策略，或者将特征值通过射频通信物理层模块发送给网关节点，或者将特征值超过预先设定的阈值的原始波形通过射频通信物理层模块发送给网关节点。将所计算特征值或振动波形的原始数据值由嵌入式处理器存储在存储器中，电池用于给嵌入式处理器进行供电。这样，本实用新型针对不同的无线传感器网络振动采集需求，通过不同策略采集和传输表征设备状态的信息值，从而在低功耗、信息完整性和网络灵活性上达到优化。
附图说明
图1为现有技术提供的无线传感器网络结构示意图；
图2为本实用新型提供的无线传感器节点结构示意图；
图3为本实用新型提供的无线传感器网络结构一示意图；
图4为本实用新型提供的无线传感器网络结构二示意图；
图5为本实用新型提供的无线传感器网络结构二在传输特征值方法实施例一流程图；
图6为本实用新型提供的无线传感器网络结构二在传输特征值方法实施例二流程图；
图7为本实用新型提供的无线传感器网络结构一在传输振动波形的原始数据值方法实施例流程图；
图8为本实用新型提供的无线传感器节点将所存储的振动波形的原始数据值或特征值发送的实施例流程图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型为了在服务器准确确定设备状态的基础上，降低无线传感器节点的功耗及提高数据传输效率，采用了如下方法：当无线传感器节点所处的无线传感器网络不同时，对所采集的设备振动进行进行不同处理，得到不同的数据值传输给服务器进行设备状态的判定。
本实用新型可以应用在对高速公路的车辆信息进行采集，诸如车辆的单位数量信息信息或车辆的速度信息等进行采集，由无线传感器进行采集。
图2为本实用新型提供的无线传感器节点结构示意图，包括：振动传感模块、调理电路、AD模块、嵌入式处理器、射频通信物理层模块、存储器及电池，其中，
振动传感模块，用于采集设备振动信号，将所采集的设备振动信号发送给调理电路；
调理电路，用于对振动传感模块发送的设备振动信号进行调理后，得到设备振动波形，发送给AD模块；
AD模块，用于对经过调理的模拟设备振动信号进行模数转换后，得到设备振动波形的原始数据值，发送给嵌入式处理器；
嵌入式处理器，用于当无线传感器网络为星形结构且振动波形传输时，将设备振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；当无线传感器网络为簇形结构时，根据设备振动波形的原始数据值计算得到特征值，将所得到的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；
射频通信物理层模块，用于将从嵌入式处理器或存储器接收的设备振动波形的原始数据值或特征值发送出去；
存储器，用于存储设备振动波形的原始数据值或特征值；
电池，用于对嵌入式处理器进行供电。
在该结构中，射频通信物理层模块基于IEEE802.15.4协议，具有较低的功耗和250kbps的传输速率，嵌入式处理器采用ARM结构，其内置的静态随机存取存储器(SRAM)存储容量大于32千字节(KB)，便于处理大数据量的设备振动信号，存储器采用闪存flash。
在该结构中，振动传感模块、调理电路及AD模块根据不同的应用环境可以选择不同类型。
在该结构中，所述存储器，还用于当发送设备振动波形的原始数据值或特征值失败时，存储设备振动波形的原始数据值或特征值；
在后续采样周期内的振动波形的原始数据值或特征值传输成功时，将存储器存储的振动波形的原始数据值或特征值发送出去。
在该结构中，所述嵌入式处理器，还用于确定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，则将设备振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；如果否，执行将所得到的特征值发送给射频通信物理层模块和存储器的过程。
图3为本实用新型提供的无线传感器网络结构一示意图，该网络的拓扑结构为星形结构，多个无线传感器节点无线连接一个网关节点，多个网关节点再通过有线方式连接到服务器上，具体地，
无线传感器节点，用于采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到设备振动波形的原始数据值后，发送给所属网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的无线传感器节点发送的设备振动波形的原始数据值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的设备振动波形的原始数据值，根据设备振动波形的原始数据值诊断设备。
在该网络中，无线传感器节点，还用于将发送失败的设备振动波形的原始数据值进行存储，当在后续采样周期的振动波形的原始数据值传输成功时，再将存储的设备振动波形的原始数据值发送给网关节点。
采用星形拓扑结构的无线传感器网络，网络传输范围有限，但是不经过转发就可以将具体的设备振动波形的原始数据值发送给服务器，所以数据转发延迟比较小。
图4为本实用新型提供的无线传感器网络结构二示意图，该网络结构的拓扑结构为簇形结构，多个无线传感器节点无线连接一个簇头无线传感器节点，多个簇头无线传感器节点连接一个网关节点，多个网关节点再通过有线方式连接到服务器上，具体地，
无线传感器节点，用于采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到特征值后，将所得到的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，发送给簇头无线传感器节点；
簇头无线传感器节点，用于接收无线传感器节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，发送给所属的网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的簇头无线传感器节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，诊断设备。
在该网络中，无线传感器节点，还用于将发送失败的特征值进行存储，当在后续采样周期的特征值传输值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值传输成功时，再将存储的特征值发送给网关节点。
在该网络中，所述无线传感器节点，还用于确定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，则将设备振动波形的原始数据值发送并存储；如果否，执行将所得到的特征值发送并存储的过程。
采用簇形拓扑结构的无线传感器网络，网络传输范围增大，需要经过转发将数据量比较小且反应设备状态的特征值发送给服务器，所以数据转发延迟也不大。在该结构中，不同簇头无线传感器节点在发送特征值时还可以基于不同的无线频点，减少不同簇头无线传感器节点之间的传输干扰。
图5为本实用新型提供的无线传感器网络结构二在传输特征值方法实施例一流程图，其具体步骤为：
步骤501、无线传感器节点采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到特征值；
在该步骤中，特征值为根据设备振动波形的原始数据值计算得到的诸如平均值、峰峰值及方差值等，计算方法为现有技术，这里不再赘述，设备振动波形的原始数据值是根据所采集的设备的振动信号确定的；
步骤502、无线传感器节点将特征值进行存储并将该特征值发送给网关节点上。
在本步骤中，进行存储是为了保证在无线传感器节点传输该特征值失败后，可以将所存储的特征值提取出来再次发送。
图6为本实用新型提供的无线传感器网络结构二在传输特征值方法实施例二流程图，其具体步骤为：
步骤601、无线传感器节点采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到特征值；
步骤602、无线传感器节点判定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，执行步骤603；如果否，执行步骤604；
在本步骤中，设定的特征值阈值为无线传感器网络根据理论所设置的合理特征值阈值，在该阈值下，说明设备状态正常，超过该阈值，则说明该设备可能有故障，需要对振动波形的原始数据进行分析；
步骤603、无线传感器节点将设备振动波形的原始数据值进行存储并发送给网关节点上；
步骤604、无线传感器节点将特征值进行存储并将该特征值发送给网关节点上。
图7为本实用新型提供的无线传感器网络结构一在传输振动波形的原始数据值方法实施例流程图，其具体步骤为：
步骤701、无线传感器节点采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到振动波形的原始数据值；
步骤702、无线传感器节点将设备振动波形的原始数据值进行存储并发送给网关节点上。
图8为本实用新型提供的无线传感器节点将所存储的振动波形的原始数据值或特征值发送的实施例流程图，其具体步骤为：
步骤801、无线传感器节点将得到的将得到的振动波形的原始数据值或特征值发送给网关节点；
步骤802、无线传感器节点判断传送是否失败，如果是，执行步骤803；如果否，执行步骤804；
步骤803、无线传感器节点将得到的振动波形的原始数据值或特征值进行存储，用于发送后续采样周期的振动波形的原始数据值或特征值成功时，再将存储的设备振动波形的原始数据值或特征值发送给网关节点；
步骤804、无线传感器节点确定是否有新得到的振动波形的原始数据值或特征值，如果是，转入步骤801继续执行；如果否，则执行步骤805；
步骤805、无线传感器节点将所存储的设备振动波形的原始数据值或特征值发送给网关节点。
在该实施例中，无线传感器节点当数据传输失败时，会不断将数据进行存储，直到发送成功后，将所存储的数据取出进行发送，这样就避免了无线传输器网络在传输数据时丢失。
以上举较佳实施例，对本实用新型的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线传感器节点，其特征在于，包括：振动传感模块、调理电路、模数AD模块、嵌入式处理器、射频通信物理层模块、存储器及电池，其中，
振动传感模块，用于采集设备振动信号，将所采集的设备振动信号发送给调理电路；
调理电路，用于对振动传感模块发送的设备振动信号调理后，得到设备振动波形，发送给AD模块；
AD模块，用于对设备振动波形模数转换，得到设备振动波形的原始数据值，发送给嵌入式处理器；
嵌入式处理器，用于当无线传感器网络为星形结构且振动波形传输时，将设备振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；当无线传感器网络为簇形结构时，根据设备振动波形的原始数据值计算得到特征值，将所得到的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；
射频通信物理层模块，用于将从嵌入式处理器或存储器接收的设备振动波形的原始数据值或特征值发送出去；
存储器，用于存储设备振动波形的原始数据值或特征值；
电池，用于对嵌入式处理器进行供电。
2.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述存储器，还用于当发送设备振动波形的原始数据值或特征值失败时，存储设备振动波形的原始数据值或特征值；
在后续采样周期内，判断射频通信恢复正常，将存储器存储的振动波形的原始数据值或特征值再发送出去。
3.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述嵌入式处理器，还用于确定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，则将设备振动波形的原始数据值发送给射频通信物理层模块和存储器；如果否，执行将所得到的特征值发送给射频通信物理层模块和存储器的过程。
4.一种无线传感器网络，其特征在于，该网络结构为星形结构，用于振动波形的传输，多个无线传感器节点无线连接一个网关节点，多个网关节点通过有线方式连接到服务器上，其中，
无线传感器节点，用于采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到设备振动波形的原始数据值后，发送给所属网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的无线传感器节点发送的设备振动波形的原始数据值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的设备振动波形的原始数据值，根据设备振动波形的原始数据值诊断设备。
5.如权利要求4所述的无线传感器网络，其特征在于，所述无线传感器节点，还用于将发送失败的设备振动波形的原始数据值进行存储，当在后续采样周期内的振动波形的原始数据值传输成功时，将存储的设备振动波形的原始数据值发送给网关节点。
6.一种无线传感器网络，其特征在于，该网络结构为簇形结构，用于特征值或者超过特征值阈值情况下的原始振动数据值传输，多个无线传感器节点无线连接一个簇头无线传感器节点，多个簇头无线传感器节点连接一个网关节点，多个网关节点再通过有线方式连接到服务器上，其中，
无线传感器节点，用于采集设备的振动信号，根据设备的振动信号得到设备振动波形的原始数据值后，根据所得到的设备振动波形的原始数据值计算得到特征值后，将所得到的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，发送给簇头无线传感器节点；
簇头无线传感器节点，用于接收无线传感器节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，发送给所属的网关节点；
网关节点，用于接收所管辖的簇头无线传感器节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，转发给服务器；
服务器，用于接收网关节点发送的特征值或超过特征值阈值的振动波形的原始数据值，诊断设备。
7.如权利要求6所述的无线传感器网络，其特征在于，所述无线传感器节点，还用于将发送失败的特征值存储，当在后续采样周期的特征值传输成功时，将存储的特征值发送给网关节点。
8.如权利要求5或6所述的无线传感器网络，其特征在于，所述无线传感器节点，还用于确定计算得到的特征值是否大于设定的特征值阈值，如果是，则将设备振动波形的原始数据值发送并存储；如果否，执行将所得到的特征值发送并存储的过程。
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