Способ построения сенсорной сети для регистрации вибрационных сигналов
METHOD FOR BUILDING A SENSOR NETWORK FOR RECORDING VIBRATION SIGNALS

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям, устройствам регистрации, сбора и обработки данных физических величин, в том числе механических вибраций и может быть применимо для решения задач мониторинга состояния машин, механических агрегатов и конструкций, а также измерения и анализа сейсмической активности.
Известна сенсорная сеть для измерения вибраций низкой частоты (патент КНР CN101266189A, МПК G01H17/00, G01M7/02, G08C17/02, H04L29/08, опубликовано 17.09.2008), состоящая из мобильных узлов, включающих в себя датчик, управляющий микроконтроллер, совмещенный с радиочастотным модулем, а также модуль источника питания. Регистрируемые узлами сети данные поступают на узел сбора данных, подключенный через проводной последовательный интерфейс к персональному компьютеру для обработки, анализа и отображения данных в режиме реального времени. Недостатком данной сенсорной сети является использование дополнительных элементов сетевой инфраструктуры (персональный компьютер с узлом сбора данных) для обработки полученных результатов измерений.
Известна также сенсорная сеть, выполненная на основе P2P (peer-to- peer) технологии (патент КНР CN104065754A, МПК H04L29/08, H04W84/18, опубликовано 24.09.2014) в виде трехуровневой структуры, которая включает в себя сенсорный, межсетевой и обрабатывающий уровни. Сенсорный уровень содержит связанные друг с другом беспроводные узлы, в которых реализован сбор и первичная обработка регистрируемых данных. Межсетевой уровень состоит из узлов сбора данных, интегрированных в P2P сеть. Обрабатывающий уровень состоит из интегрированных в P2P сеть производительных устройств (телефон, ноутбук или персональный компьютер). Обработка данных осуществляется всеми устройствами этого уровня. Достоинством данной сенсорной сети является возможность интегрирования с существующей сетевой инфраструктурой. Недостатком является необходимость использования специализированного программного обеспечения для устройств обрабатывающего уровня.
Наиболее близка к предлагаемому изобретению сенсорная сеть для мониторинга состояния, описанная в (Liqun Hou, Neil W. Bergmann. Novel Industrial Wireless Sensor Networks for Machine Condition Monitoring and Fault Diagnosis // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 61, No. 10, October 2012). Сенсорная сеть состоит из узлов, содержащих датчики вибрации, беспроводные приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4, связанные с управляющим микроконтроллером. Каждый узел сети осуществляет измерение, промежуточное хранение и обработку результатов измерений посредством встроенного программного обеспечения. Преимуществом данной сети является реализация обработки сигналов на месте, что позволило существенно сократить объем передаваемых данных по сети. Это обеспечило достаточно высокую автономность работы ее узлов. Недостаток данной сети заключается в ограниченной вычислительной производительности, обусловленной использованием микроконтроллеров с малым уровнем энергопотребления, что не обеспечивает анализ результатов измерения на месте установки сенсоров, а также необходимости применения клиентского устройства с приемопередатчиком IEEE 802.15.4 для отображения результатов измерений.
Задача (технический результат) предлагаемой системы сенсорной сети для регистрации вибрационных сигналов заключается в обеспечении измерения и проведения обработки и анализа результатов (измерения) на месте установки сенсоров.
Поставленная задача достигается тем, что система сенсорной сети для регистрации вибрационных сигналов, включающая в себя сенсорные узлы и клиентское устройство, объединенные в беспроводную сеть, при этом каждый сенсорный узел включает в себя датчик вибрации, процессор, энергонезависимую память, приемопередатчик и источник питания, где сенсорный узел осуществляет регистрацию вибраций встроенным датчиком вибрации, и передает данные для последующей обработки и анализа процессору, необходимые для обработки и анализа вычислительные возможности обеспечиваются работой операционной системы (ОС), которая реализует сбор, промежуточное хранение данных в энергонезависимой памяти, а также управление приемопередатчиком и источником питания, приемопередатчик обеспечивает прием и передачу данных по радиоканалу между устройствами сети.
На фиг. 1 представлена общая структура системы сенсорной сети. На фиг. 2. представлена структурная схема сенсорного узла.
Система сенсорной сети (фиг. 1) содержит сенсорные узлы 1, связанные с клиентским устройством 2. Каждый сенсорный узел 1 (фиг. 2) содержит датчик вибрации 3, процессор 4, беспроводной приемопередатчик 5, энергонезависимую память 6 и источник питания 7. К цифровым выводам периферийных интерфейсов процессора 4 подсоединены датчик вибрации 3, энергонезависимая память 6 и беспроводной приемопередатчик 5. Источник питания 7 подключен к датчику вибрации 3, процессору 4, беспроводному приемопередатчику 5, энергонезависимой памяти 6.
Предлагаемая система сенсорной сети для регистрации вибрационных сигналов работает следующим образом. Каждый сенсорный узел, входящий в состав системы сенсорной сети, осуществляет регистрацию параметров вибраций встроенным датчиком вибрации. Затем он передает эти параметры для последующей обработки и анализа процессору. Все необходимые для обработки и анализа вычислительные возможности обеспечиваются работой операционной системы (ОС), которая реализует сбор, промежуточное хранение данных в энергонезависимой памяти, а также управление приемопередатчиком и источником питания. Приемопередатчик осуществляет прием и передачу данных по радиоканалу между устройствами сети, с возможностью и обеспечения отправки запроса на получение результатов измерений в форме веб-страницы с данными измерений одному из сенсорных узлов. В свою очередь сенсорные узлы осуществляют сбор данных, их промежуточное хранение, обработку и анализ результатов измерений на месте установки сенсоров, а затем через беспроводные приемопередатчики стандарта IEEE 802.11 производят беспроводную передачу другим устройствам сети для представления данных в графическом виде.
Таким образом, предлагаемая система сенсорной сети для регистрации вибрационных сигналов комплексно проводит измерение, обработку и анализ результатов (измерения) на месте установки сенсоров. Кроме того, предложенное устройство существенно повышает вычислительную производительность в задачах мониторинга и исследования большого числа вибрационных сигналов в реальном масштабе времени.
В качестве примера предлагаемая система сенсорной сети была реализована в виде опытного образца из однородных сенсорных узлов на базе компонент, включающих в себя:
1. Датчик вибрации ADXL345 (производства компании Analog Devices, США), представляющего собой трехосевой цифровой акселерометр, произведенный по технологии МЭМС.
2. СнК MT7688AN (производства компании MediaTek, Тайвань), совмещающая в себе производительное процессорное ядро MIPS24KEc с тактовой частотой 580 МГц под управлением ОС на базе ядра Linux, и приемопередатчик стандарта IEEE 802.11b/g/n, поддерживающий работу на несущей частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью соединения 150 Мбит/с.
Необходимые для обработки и анализа вычислительные возможности обеспечиваются помимо аппаратной части, работой операционной системы
(ОС) на базе ядра Linux, которая реализует сбор, промежуточное хранение данных в энергонезависимой памяти, а также управление приемопередатчиком и источником питания. Приемопередатчик обеспечивает прием и передачу данных по радиоканалу между устройствами в соответствии со стандартом IEEE 802.11. Для снижения габаритных размеров и стоимости сенсорного узла, повышения его автономности приемопередатчик интегрирован с процессором в одной системе на кристалле (СнК), а в датчик вибрации выполнен по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Таким образом, предлагаемая система сенсорной сети для регистрации вибрационных сигналов обеспечивает повышение вычислительной производительности при осуществлении измерений, а также поддерживает интегрируемость в сетевые инфраструктуры благодаря тому, что сенсорные узлы системы осуществляют сбор данных, их промежуточное хранение, обработку и анализ результатов на месте установки сенсоров, а затем через беспроводные приемопередатчики стандарта IEEE802.11 производят беспроводную передачу клиентским устройствам для представления данных в графической и интерактивной форме в виде веб-страниц.