BP Loch Rannoch 油船

　　BP 數(shù)字通訊技術部門總監(jiān)Harry Cassar 說：“當我們初次接觸這項新技術時就在考慮它是否能工作在我們的環(huán)境中雁痪。這些Mote 看起來是設計精密且?guī)缀鯖]有保護外殼的電路板。我們想知道它是否能被放置在如精煉場這樣的金屬設備遍布且高溫盅妹、高頻震動的環(huán)境中蓬抖；Mote 在包裝后能不能在這樣的環(huán)境中正常運行。驗證這種想法的唯一途徑就是測試吊违。于是，Loch Rannoch 的工程就這樣誕生了延都。
　　工程介紹
　　Loch Rannoch 工程起始于對Mote 的測試和評估雷猪，但是并沒有停滯在這個階段。事實上這個工程的目的是開發(fā)一個能夠應用在BP 全球工業(yè)生產(chǎn)中的一套商用無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)晰房。在這個工程的每個階段我們都會遇到一些困難求摇，但我們都已一一將其克服。
　　BP 的第一個困難是決定在什么地方實施這個工程殊者。BP 的大多工程實施的都要求使用安全的設備与境。為測試這種沒有認證的無線網(wǎng)絡技術，BP 需要找到一個安全需求較低的苛刻環(huán)境。于是摔刁，公司選定了一艘1000 英尺長挥转、132,000 噸重，往返于Schiehallion 儲油船和位于Shetland 島 Sullom Voe 地區(qū)的石油處理站的油船——Loch Rannoch 共屈。
　　這艘油輪的金屬設備比精煉廠的金屬設備還多绑谣，因此這里的射頻環(huán)境更加惡劣和復雜。不僅如此拗引，油船的船艙都是通過金屬水密門封閉借宵。此外，來自發(fā)動機椿烂、發(fā)電機和推進機的強烈震動以及引擎室內(nèi)80°F 到100°F 的高溫策谅，都將是Mote 正常工作的不良因素。
　　BP 的主要技術部門與BP 運輸部門都對這個試驗計劃非常關注伍配〈奚睿“如果要在Loch Rannoch 油船上做試驗，我希望可以獲得更多的實際價值铣瞒，而不僅僅是一次測試Mote 能否互相通訊的試驗芯拇。”Cassar 還指出：“BP 運輸部門非常希望能夠采集到引擎室攪拌機的震動數(shù)據(jù)腔资∷”
　　系統(tǒng)介紹
　　此項BP 的計劃是建立一套預測維護系統(tǒng)用來監(jiān)視如馬達、泵之類具有強烈震動的機器淡厦。這些機器被放置于Loch Ronnach 油船的引擎室內(nèi)刑吕。通過震動信息來監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時則通過無線通信發(fā)送警告旋乙。
　　“震動信息可以幫助預測機器的磨損狀況并預知何時需要進行維護端伪，”Cassar 指出“該系統(tǒng)可以告訴你主軸發(fā)生彎曲或是哪臺機器失去平衡。它能把你從每500 小時一次的定期維護工作中解脫出來装蓬，只有在需要的時候才做必要的維護著拭。”
　　基于150 個Rochwell 的加速度計牍帚，我們構建了整個測量系統(tǒng)儡遮。每臺機器安裝有6 個傳感器，3 個軸的方向各一個暗赶，兩個輔助測量點以及一個監(jiān)測機器轉動和提供角度相位的轉速計鄙币。傳感器用金屬外殼封裝放置于離機器2 英寸處，通過有線的形式連接到Mote 上蹂随。每個Mote 一次可以驅動10 個傳感器十嘿，盡管BP 沒有全都用到因惭。

　　 Loch Rannoch 工程的預測維護系統(tǒng)監(jiān)測引擎室內(nèi)的泵和馬達的工作狀態(tài)。這些機械設備被安裝了大約150 個加速度器绩衷。加速度器探測出的震動數(shù)據(jù)用于評估當前的操作環(huán)境蹦魔。當磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時，則無線傳感器網(wǎng)絡中的Mote 和網(wǎng)關通過無線通信發(fā)送警告唇聘。
　　數(shù)個Mote 構成了一個由網(wǎng)關控制的子網(wǎng)蝴勉。Mote 通過IEEE 802.15.4 的直接擴頻調(diào)制技術將采集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)給網(wǎng)關。由于英國政府的限制匿忿，工作頻段被調(diào)整到英國標準的868MHz 生肖。然而系統(tǒng)的工作頻段是可調(diào)的，但對于工作于國際環(huán)境極為重要执鲜。因為各國的許可標準往往不盡相同盘瞄。
網(wǎng)關之間通過IEEE 802.11 構建了一個mesh 網(wǎng)絡，將所有的數(shù)據(jù)傳遞給主控網(wǎng)關鲜伶。該網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳遞給后臺的數(shù)據(jù)存儲服務器裹侍。每個網(wǎng)關都有2GB 的內(nèi)存，這確保在網(wǎng)關與船上的網(wǎng)絡失去連接時惨侍，仍能夠采集并暫時儲存來自Mote 的數(shù)據(jù)驳鸿。
　　問題與解決方案
　　在Loch Rannoch 工程中，BP箱充、Crossbow 和Intel 公司都遇到了許多問題动苍，這些問題都需要在工程實施前解決。船體的金屬構架和密集的機械設備使引擎室射頻傳輸?shù)目赡苄晕⒑跗湮⒘骸帘撰！敖饘偈巧漕l能量的一個強大的反射體，”Crossbow 科技公司高級應用工程師John Suh 指出万皿〈菡遥“金屬對射頻信號產(chǎn)生種不良影響，因此就沒有辦法通過發(fā)送接收裝置得到信息牢硅。
　　解決這個問題就是建立一個mesh 網(wǎng)絡蹬耘。在這種網(wǎng)絡中，每個節(jié)點都能與其相鄰節(jié)點通訊减余。節(jié)點上的數(shù)據(jù)將被相鄰節(jié)點一次次的轉發(fā)直到這些數(shù)據(jù)到達一個控制器或采集站婆赠。這樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘀芈窂绞沟眠@個網(wǎng)絡十分可靠。一旦一個節(jié)點時效佳励，其他節(jié)點仍能夠直接的，或通過一個或幾個中繼節(jié)點相互通信蛆挫。
　　“不同于傳統(tǒng)的點對點連接赃承，mesh 網(wǎng)絡提供大量的不同路由妙黍，”BP 公司的Cassar 說∏破剩“每個節(jié)點協(xié)同其他節(jié)點都能探測到任何角落的信息酷雌，這種功能是點對點網(wǎng)絡所無法做到的。而mesh 網(wǎng)絡的靈活性能解決這樣的問題名娶∮吻荩”
　　設備安全性
　　另外一個與環(huán)境相關的問題是設計一個能裝載Mote 和電池的安全性較高的外殼。Crossbow 在這個階段的另一個任務是開發(fā)一套適合BP 設備的商用系統(tǒng)健娄≈舶樱“我們充分學習了封裝技術，并且設計出了一款高安全系數(shù)且適合工程應用和環(huán)境的的特殊外殼翁焦≈；停”Suh 說。
　　如何處理所有數(shù)據(jù)
　　在項目的最后階段茎倘，項目組又面臨一個嚴峻的問題钾趁，那就是要想準確地確定機械問題的所在，必須獲取大量的震動數(shù)據(jù)并對之進行分析租江。而挑戰(zhàn)在于如何協(xié)調(diào)大數(shù)據(jù)量傳感器監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和低速率網(wǎng)絡傳輸協(xié)議（IEEE 802.15.4）用于Mote 和網(wǎng)關之間的通信之間的關系斑泳。
具體的解決方案是通過在Mote 上處理大批的數(shù)據(jù)，來減少傳輸給網(wǎng)關的數(shù)據(jù)量献丑。剛開始時末捣，Mote 用的是8 位的處理器，然而這被證明滿足不了大量數(shù)據(jù)處理需要的阳距。所以Intel 和Crossbow 采用了Intel 32 位的X-Scale 處理器代替原有的8 位處理器塔粒。
　　“當你著眼于傳感器網(wǎng)絡應用時，你會發(fā)現(xiàn)不同的傳感器會有不同的數(shù)據(jù)帶寬范圍要求筐摘∽洳纾”Crossbow 的Suh 說，“在一些實際應用中咖熟，你可能需要通過一個的溫度傳感器采集溫度圃酵，要獲得數(shù)據(jù)并不需要太多的處理量。但在這個項目中馍管，我們使用了高帶寬的震動傳感器郭赐。我們決定采用比8 位處理器能力更強的微處理器。所以我們采用了32 位微處理器确沸“贫В”
　　Intel 進一步通過軟件增強了Mote 的處理性能【炽担“最典型的是你可以在Mote 上作FFT 和其它計算來提取出數(shù)據(jù)中的頻率特征秋降“洳玻”Intel 的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)總監(jiān)Ralph Kling 這樣說，“為了做一些更高級的處理别逐，我們從Rockwell 獲得了使用其接口IP 知識產(chǎn)權核的許可撒殷，并將其在本領域的許多經(jīng)驗算法移植到Mote 上，使Mote 更好地實施監(jiān)控敢智。我們的目的是要在網(wǎng)絡邊界內(nèi)進行大量的數(shù)據(jù)處理杏县，而不像先前那樣把數(shù)據(jù)都傳輸回后端的服務器⊥砗牛”
Intel 還在網(wǎng)關上加入了可將數(shù)據(jù)解析為XML 格式的軟件戳橱。“我們有一套可對數(shù)據(jù)進行抽象和檢索的基于XML 的數(shù)據(jù)系統(tǒng)酪捏∪鹞妫”Kling 說，“XML 是一種通用中間件格式层锄，用在網(wǎng)關和后端服務器的數(shù)據(jù)交換酷麦。網(wǎng)關還提供一個連接后端Rockwell 服務器的接口并將數(shù)據(jù)處理成為服務器可以接受的格式『砹担”
　　能量供應
　　在BP 開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡商用系統(tǒng)的過程中沃饶，如何獲得能量，如何利用能量轻黑，以及如何確保有足夠的能量等一系列能耗問題越來越被關注糊肤。為了解決這些問題，研究小組采用了低功率無線電IEEE 802.15.4 標準氓鄙，并在Mote 上實施能量的安全管理模式馆揉。
　　此外，對數(shù)據(jù)的預處理工作減少了數(shù)據(jù)傳輸量抖拦，這也節(jié)省了電能的消耗升酣。“我們減少無線傳輸量态罪，”Cassar 說噩茄，“射頻組件會消耗大部分的電能，而新處理器驚人的處理能力減少了數(shù)據(jù)量复颈，從而大大提高電池壽命绩聘。”
另一項任務是電能的獲取圾董∏荆“我們在Loch Rannoch 上測試的另一項技術是獲取機械的振動產(chǎn)生的能量，從而把動能轉化為電能，”Cassar 先生恳瞄，“我　　　　　　　　　　　　　　我們嘗試了兩種方式班卖，一種是用可充電鋰電池檢驗是否可以完全支持Mote 工作。另一種是用可充電的大容量電容器作為儲存媒介载蜓。我們認識Mote 的能量獲取方式在這個項目中扮演著重要角色〈鲜撸” 
　　試驗結果 
　　Loch Rannoch 項目實現(xiàn)了一套用于系統(tǒng)監(jiān)測和預測維修的高效自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)肄绢。而這些工作以前大都由人來完成∥藜郏“操作人員通過手持設備详毡，如PDA，就能直接獲得各種轉動機器的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)琳柱，并同時檢測一個加速度讀數(shù)耻陕。”Cassar 說刨沦，“以前對于每臺機器诗宣，操作員記錄測量儀器的位置并測量幾秒鐘的數(shù)據(jù)。這是一個非常乏味的工作想诅，但必須每六到八周召庞，做一次，有時會更久些来破。然而他們每次采集到的數(shù)據(jù)其實是十分少的篮灼，因為一年才幾次采集數(shù)據(jù)。我們現(xiàn)在將網(wǎng)絡設定為每18 小時采集一次數(shù)據(jù)徘禁。再以不用像以前拿著手持設備每8 周去檢測設備诅诱，而是每18 小時自動采集一次數(shù)據(jù)∷椭欤” 
　　從Loch Rannoch 項目中獲得的其它經(jīng)驗 
　　◆傳感器網(wǎng)絡可以在惡劣的環(huán)境中很好地工作娘荡。 
　　◆射頻和網(wǎng)絡結構的選擇是十分重要的。這兩者都可以提高通信的可靠性骤菠。 
　　◆先進的平臺能很好地配合這種特殊的應用它改，因為通過在網(wǎng)絡邊界內(nèi)的預處理大幅度降低了數(shù)據(jù)的傳輸量。

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