传感服务器范文

传感服务器范文（精选7篇）

传感服务器 第1篇

近年来,无线传感网络已成为电子通信领域的研究热点问题[1]。它在空间探索、交通管理、环境监测、入侵检测、资源勘探以及国家安全等领域具有重大的应用价值,引起了学术界、工业界和军事界的强烈关注[2,3]。

无线传感网络是在某一监测范围内放置大量的微型传感器作为节点,以无线通信方式构建的一种自组织网络。它具有规模大、随机部署、环境复杂、资源有限、拓扑变化等一系列特点[4]。目前无线传感网领域中有大量的研究课题有待解决,拓扑控制便是其中的一个挑战性课题[4]。

无线传感网络节点一般采用电池独立供电,以无线多跳的方式在节点之间进行交互通信。传感器节点通常是低成本的简单设备,可以使用的电量有限,其存储能力、通信能力和计算能力也都有限。因此优化网络拓扑控制机制,提高网络运行效率有着非常重要的研究价值。对其中的路由策略等问题,需要一种具有一定程度智能,能够代表用户自治地完成特定任务和数据处理的机制[5],从而提高网络的数据传输能力,并克服对路由器硬件需求过高,网络资源消耗量大等缺点。

移动服务计算是人工智能技术与分布式计算技术相结合的产物,它的出现为分布式计算增加了动态性和智能性[6,7]。移动服务是一段具有智能、可以执行用户任务的程序代码,可以在当前节点上挂起,并将自身的数据状态和代码迁移到网络中其它的节点上继续执行。通过服务请求,移动服务可以动态地迁移到各节点执行,使得任务处理较少依赖于网络传输,从而避免了大量数据的网络传送,实现了降低带宽、平衡负载,提高系统运行效率的目标。移动服务关注系统软件对外部环境的感知和分析,它的自主性能有效地实现系统的动态性、开放性和自适应性。

本文通过将移动服务计算技术应用到无线传感网络中,提出了基于移动服务计算的传感网络模型。并进一步通过对路由空洞、孤立节点和睡眠调度三个问题的分析,提出了相应的拓扑控制方法。该方法能有效的节省传感器节点的能耗,延长网络的生存期,降低网络通信负载。

2 基于移动服务的传感网模型

服务计算中的资源组织与提供方式都是非常灵活的。本文中,移动服务(Mobile-Service,MS)是一种能自主执行的程序,可在节点间自主迁移,代表用户完成指定的任务。

2.1 传感网模型

传感器电池的电量是无线传感网工作生命期的决定性因素,而网络中的数据传输是消耗能量主要操作,故所有的通信协议都必须优化以节约电量消耗[8]。通过对无线传感网和移动服务技术特点的分析,本文提出了一种基于移动服务计算的无线传感网络模型,利用移动服务技术的自主性、移动性等特点使其实施灵活的并行计算,帮助用户及时快捷地完成任务,如图1所示。

在图1中,汇聚节点(Sink)负责提供通信功能,根据任务要求生成移动服务MS(mobile-service),并派遣和回收MS,还负责处理移动服务返回的数据。移动服务MS携带执行代码、运行状态、处理结果和访问路径等信息在网络节点间自主迁移,执行本地计算以及与外界交互的计算方法。该模型中,每个节点不再将数据发送到特定的处理节点进行计算,而是由MS迁移到节点上对数据进行处理,最后携带处理结果返回派遣节点。移动服务环境能够接收和执行移动服务MS,并对本地资源的访问提供相应的接口。图1中箭头表示MS的迁移路径。

基于移动服务计算的传感网络的执行流程如图2所示。首先Sink节点根据任务要求创建一个移动服务MS,确定该服务的访问路径,然后派遣MS到目标区域,进行数据的收集。移动服务MS按照指定的节点顺序访问每一个节点,最后将最终处理数据返回Sink节点,完成一次给定任务的执行。如果MS迁移到某一个非指定数据处理节点,则不做处理,直接进行迁移。

该模型与传统的传感网络相比,增加了移动服务处理节点,移动服务MS沿一定路径迁移,访问网络中的节点。在此过程中,各传感节点通过移动服务在网络中的迁移和访问,完成对目标感知数据的收集和处理,从而有效地减少了网络中的信息流量,节约了带宽和能源消耗。

2.2 优势分析

从软件实现的角度来看,移动服务是一个封装的实体,由服务标志、软组件、访问路径、环境信息描述等组成。它是一个主动对象,具有状态、行为和连接端口,能发送消息和接收消息,当自身的状态发生改变时有处理消息的方法。移动服务有自己的任务,这些任务也可能是由一些序列化的子任务构成的,如唤醒某一服务、发送消息到另一对象等。

由于移动计算比移动数据所付出的代价小,因此移动服务计算适合于无线传感网领域的应用,能够有效地改善传感网络的性能。总的来说,将移动服务技术应用到无线传感网络中,可带来如下优势:

1)简化网络协议。传感器网络“面向应用”的特点使得针对用户的特殊需求大部分都要由网络协议来实现,从应用层、网络层甚至延伸到数据链路层。网络协议位于传感器节点软件层次的较低层,复杂的网络协议不仅设计和维护困难,并且极易造成网络故障。移动服务可承担用户需求任务,将底层网络协议封装,需求改变时只需修改服务的代码而无需改动网络协议[8]。

2)同层次的多个移动服务可以相互协作共同完成任务,提高了效率,减小了整个网络活动的时间;而且移动服务所携带的数据是通过合并和筛选之后的,减少了网络的信息流量。

3)移动服务可以有效地在多个节点中分布,通过对任务的合理分配,动态选择路由以避开能量缺乏的节点,平衡了各节点的负载,均衡节点的能量消耗,延长了整个网络的生存期。

4)灵活性和自主性。通过对移动服务再编程或将新的服务插入到网络中,将网络任务重新分配,并且一个节点可以同时运行多个服务,提高网络的灵活性和适应性。此外,移动服务可以独立地感知到网络环境的动态变化并快速、自主的做出响应,使整个网络始终保持在最优状态。

5)移动服务技术把计算移动到数据,尽管每一个传感器节点的信息处理能力弱,但通过强化多个移动服务之间的协作,能解决普适计算中网络以及节点处理能力的瓶颈,从而有效地实现数据收集的任务。

简言之,把移动服务技术引入到无线传感网络中,带来了节点的智能性和主动性,同时更强调了节点之间的协作,可以摒弃传统网络中大量的控制信息以及冗余数据。

3 网络拓扑控制

无线传感网络的拓扑控制研究主要以最大限度地延长网络的生命期作为设计目标,当前主要已形成睡眠调度和功率控制两个主流研究方向[5]。睡眠调度是指控制传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换,而功率控制则是指为传感器节点选择合适的发射功率。

在无线传感网中,节点的发射功率决定了节点传输信息的范围以及网络的拓扑结构,直接影响着网络性能。拓扑控制即允许节点以调整发送功率的方式改变其通信距离,从而改变网络拓扑。拓扑控制对传感器网络具有重要意义,它能够影响网络的生存时间;对拓扑的优化能够减少节点间的通信干扰,提高网络通信效率;为路由和数据融合的优化提供基础,并弥补失效节点的影响。目前已有许多文献对无线传感器网络的拓扑控制进行研究,但绝大多数都是从网络协议的角度进行研究,未使用移动服务计算技术。

基于上一节的无线传感网络模型,本小节分析拓扑控制中常见的三个问题[9,10,11]:路由空洞、孤立节点和睡眠调度,并使用移动服务计算技术建立相应的拓扑控制方法。

3.1 路由空洞

无线传感器网中,数据传输的路由策略通常采用贪心算法。但在信息的实际传输过程中,由于地域的复杂性使得传感器节点不可能做到均匀部署,以及节点自身的能量耗尽或是故障导致失效,都会引发地理贪婪路由遇到空洞问题而失败。如图3中所示,当前转发节点B使用贪心算法作为转发策略,在一跳邻居A、C中找不到比自身更接近目标节点Sink的下一跳节点,此时路由中断,形成一个路由空洞。

在当前的位置路由协议中,主要有两类解决空洞问题的方案[2]:空洞恢复方法和空洞避免方法。空洞恢复方法大多是从贪心算法转发开始,在找不到最近节点的情况下(如图4所示的节点B),退而求其次,启用空洞恢复机制,寻找第二近的节点(C),从而绕过空洞(到达D),然后再启用贪心算法转发至Sink节点。文献[2]提出了一种空洞避免路由算法,其实现算法比较复杂,而且其本质是使节点提前意识到“路由空洞”的存在,从而尽可能绕开路由空洞。

在可以进行拓扑控制的情况下,绕过空洞并不一定是最优的解决方案。例如,假若B与J距离较近而B和D距离更远时,则绕洞传输消耗的整个网络的能量要远大于B直接向J传输消耗的能量,此时可以调整B的发送功率,使其直接向节点J进行数据发送。因此可用移动服务MS来控制节点B的发送目标,选择最节能的路由方案。如图5所示,移动服务携带数据到J节点时(路径①),计算出路径上的能耗大于B直接向J传输的能耗,则沿原路返回到B节点(路径②),通知B调整发送功率,改变网络拓扑结构,此后B将数据一律直接向J发送(路径③)。

3.2 睡眠调度和孤立节点

对于节点密集型以及事件驱动型的无线网络来说,各节点通信模块在空闲侦听时的能量消耗相当高,同时网络冗余覆盖也浪费了很大的能量。只有使部分节点进入睡眠状态,才能实现网络能量消耗的大幅度下降。睡眠机制[12]是无线传感器网络最常用的节能策略之一,即在保证一定网络覆盖率的条件下,让部分节点停止工作,转入睡眠状态以节省能量。

在基于移动服务技术的无线传感网中,首先由中心处理节点计算出网络的最优覆盖策略,然后利用移动服务MS将命令传达到各个节点,收到睡眠指令的节点就转入睡眠状态。同时,未睡眠的节点调整发送距离,改变网络的拓扑结构,移动服务在随后的遍历中使用新的路由,绕开已经睡眠的节点。

为了使网络中各节点的能耗得到平衡,各传感器节点还要定义一个剩余能量阈值emin,当其中任意一个节点的剩余能量下降到了这个阈值,意味着该节点在路由过程中负载过重,移动服务MS将发出命令强制其进入睡眠状态。

孤立节点是指,当某个节点或者某一部分节点脱离网络时(即该部分与网络其他部分不连通),网络无法发现这些被孤立的节点就把它们当做死亡节点来对待。通常的路由算法不能发现这样的孤立节点。但这些孤立的节点所采集的数据仍然具有价值,不应浪费。利用移动服务MS,可采用改变拓扑控制的方式,使这些孤立节点重新加入到网络中。

要对每个节点定义一个时间阈值tmax,当某节点超过tmax的时间还没有收到移动服务MS,则认为自己被孤立。此时节点以最大功率周期性的对外广播,当传感网中的MS收到广播消息后,利用路由协议中的地理位置信息计算出新的拓扑,并通知孤立节点以相应的发送距离建立连接,使得被孤立的节点重新加入到网络中。

3.3 拓扑控制算法

进行拓扑控制的目的是尽量减小端到端的路径长度,减少数据传输操作并均衡传感器的能耗,从而延长网络生存期[13]。基于移动服务技术的无线传感网中,拓扑控制算法由移动服务MS负责携带,在MS遍历整个网络所有节点的过程中,在每个节点都执行一遍。

算法的详细流程图如图6所示,移动服务MS在某个节点上的执行期间,同时解决路由空洞、孤立节点和睡眠调度问题,还可通过设置优先级来解决三个流程的冲突问题,比如当前节点既是睡眠节点,又是孤立节点的最佳连接时,就会产生冲突。基于网络连通的基本要求和重要性的角度考虑,三个问题解决的先后次序为:孤立节点→路由空洞→睡眠调度。

移动服务具有高效、灵活、高异步性等特点,适用于网络中拥塞的处理[14],并可进行拓扑优化,这其中的一个关键点是移动服务在网络中迁移的策略。当移动服务发现某一节点产生拥塞时,将根据预设的策略(如节点间通信能耗)通知该节点断开其与其他一些节点的连接,并根据网络的状况通过拓扑重连技术将这些断开的节点连接到别的处理能力富余的节点。这里移动服务的迁移目标是选择那些处理能力强且连通度高的节点。

要实现上述目标,可以通过在每一节点设置保存所有邻居节点的处理能力和连通度,每个节点要定期发出节点收集消息[15],并定期对每一个节点进行拓扑重连。基于移动服务的拓扑重连将避免网络拥塞,降低数据转发的操作次数,减小平均的数据传输路径长度,从而减轻传感器能耗,提高整个网络的性能。

4. 仿真验证

本文使用Matlab仿真软件对算法进行了仿真验证。仿真环境为100个传感器节点布置在100m×100m的区域内,比较使用移动服务技术和不使用移动服务的条件下对网络拓扑进行管理的情况,通过考察能量消耗和丢包率两个参数,验证本文提出方法的节能情况和执行效率。为了模拟真实的无线传感器网络拓扑变化情况,令每个节点都以一定的概率暂时退出网络,并在一段时间以后重新加入。退出时间为在某一阈值范围内变化的随机参数。作为对比,不使用移动服务的条件下,网络拓扑建立使用洪泛方式,数据传输阶段使用经典的GEAR路由[11]协议(基于贪心算法)。

图7和图8显示了使用移动服务和不使用移动服务两种状态下的网络能耗和丢包率情况。图7表明移动服务计算使网络能耗平均下降了30%,随着网络规模的增大,节能效果也越来越好,这是由于网络规模增大使拓扑结构的改变更加复杂和频繁,使用移动服务计算技术进行管理的优点也逐渐显现出来。

图8表明使用移动服务计算比GEAR路由的网络丢包率更低,这不仅是由于移动服务MS及时挽救了孤立节点,而且由于在移动服务拓扑管理下,数据传输效率的提高,减少了数据的平均传输延迟,从而减少了因节点缓冲区溢出而造成丢包的现象。

5. 结束语

在无线传感网中,节点存在通信能力、存储能力、计算能力和电池能量有限等诸多制约。拓扑控制是一种重要的节能技术,并能保证覆盖质量和连通质量。

传感服务器 第2篇

【摘 要】服务机器人的自主导航过程通常处于不确定的环境中，单一的传感器提供信息己经无法满足现代移动机器人的需求，多传感器信息融合技术在机器人领域得到广泛应用。项目以国家863重点项目成果“护理机器人”样机为平台，研究室内移动服务机器人的多传感器信息融合、路径规划与运动控制方法，为今后室内机器人定位的研究提供理论依据和具有实用性的参考。

【关键词】服务机器人；D-S论证；数据融合

引言

随着机器人技术的发展，机器人的用途开始从传统的工业领域不断向军事、医疗、服务等领域拓展。服务机器人是本世纪最有发展潜力的一个应用领域，据预测在未来一段时间内服务机器人的需求数量将会超过工业机器人[1]。美国、欧洲、日本和韩国都制定了研制服务机器人的国家中远期研究计划。我国863计划2006年开始将“智能机器人技术”列为专题，为服务机器人研究提供支持，推动服务机器人发展，因为服务机器人研制的意义为：（1）解决社会人口结构变化问题——全球性人口老龄化问题，为老人提供陪护服务，缓解社会压力，并监控环境安全[2] ；（2）提高社会生活质量，提供多种移动服务作业例如：导游、娱乐、清扫和网络信息服务等，服务机器人可胜任伙伴；（3）提升家居环境智能，随着IPV6技术的推进和3G时代的到来，家电网络化和多功能化，服务机器人替主人担当管家。在无人值守的室内环境下服务机器人能够担当保姆角色与远程家人实时保持交互，并监控室内安全；（4）在康复和助残方面服务机器人也是病人的得力助手。

1.服务机器人技术的研究

服务机器人是一种自主或半自主的能够提供服务而不是提供生产的机器人，这种机器人能够改善人们的生活质量[3]。服务机器人的研究始于上世纪60年代末期，Nilssen等人开始研制自主移动机器人（Autonomou mobile robot，AMR）Shakey，在复杂环境下将人工智能技术应用于机器人系统，以完成自主推理、规划和控制的功能[5]。服务机器人应用范围广泛，TCSRIRAS在应用范围上将服务机器人分为：清洗管家、教育机器人、类人机器人、人道主义排雷机器人、康复机器人、检查监视机器人、医疗机器人、建筑、自动回填机械、导游及办公室环境、消防机器人、搜索及拯救机器人和食品工业等16种服务机器人并给出相关研究机构和科研成果[4]。Care-O-Bot III是Fraunhofer IPA研制的最新一代服务机器人，和前两代产品相比，尽管也配有激光测距传感器和视觉系统，但在控制方法、传感器、中间件、运动学、皮肤和人机界面等方面做了很多改进[15-17]。

2.移动机器人多传感器信息融合技术的研究

移动机器人在自主导航定位过程中，必须以有效且可靠的环境感知为基础。由于各类传感器信息的物理性能局限性、不完备性和不确定性，利用具有冗余性和互补性的多传感器信息融合技术能全面地描述周围的工作环境并提高系统的可靠性。目前，多传感器信息融合技术常用的方法包括加权平均，卡尔曼滤波，贝叶斯估计，统计决策理论，神经网络，模糊推理和Dempster-Shafer（D-S）证据理论[18]-[25]。针对移动机器人所处的动态工作环境，以贝叶斯概率描述不确定因素在实际应用中鲁棒性较好，但算法通常需要先验假设且计算量大，因此具有一定的局限性；D-S证据理论满足比贝叶斯理论更弱化的条件假设，可以不需要先验知识，通过证据信息对假设做出判断，得到各个假设的基本信度赋值。虽然D-S证据理论可以有效处理不确定信息，但处理冲突信息能力不够。作为D-S证据理论的发展，证据推理（Evidential Reasoning）方法在处理不确定或不完整和冲突信息方面适应性更强，已成功应用于不确定系统建模和多源信息融合[24][25]。

针对室内环境下服务机器人系统建立及定位问题进行研究，首先面向家庭环境多任务需要，建立服务机器人系统，然后基于证据推理方法的移动机器人多传感器信息融合技术对其定位理论进行分析和证明，在实验室环境下对新平台进行定位算法验证。

3.基于证据推理方法的移动机器人多传感器信息融合技术

根据已知环境地图的栅格矩阵，推理每个栅格被障碍物占用的置信度。其映射关系为： 其中M， N表示二维空间中栅格的数量，R表示实数空间，Belief表示某个栅格被障碍物占用的置信度。在证据推理框架下，首先确定辨识框 中的基本焦元 和 ，定义 表示某个栅格为空， 表示该栅格被障碍物占用。在某t时刻超声波传感器或红外PSD传感器采集的数据信息作为一条证据源，构造证据置信度函数 ，在辨识框 中用 表示不确定信息。通过证据推理算法融合所有传感器的置信度函数值，得到每个栅格被障碍物占用的置信度值，确定整个工作环境数据栅格的置信度分布图。在数据融合过程中可根据工作环境信息动态调整不同传感器证据信息的相对权值。此外，在本项目中还可以利用护理机器人士工作环境顶部的摄像头和驱动轮上的编码器信息动态修正数据融合结果。

4.结论

项目在已有研究工作的基础上，结合移动机器人现有的自主导航技术，以护理机器人样机为平台，重点研究室内移动服务机器人的多传感器信息融合、路径规划与运动控制技术。对于提高家庭生活支援机器人的自主定位能力和运动控制精度，使其走出实验室逐步产业化具有重要的理论价值和实际意义。

参考文献：

[1]张炜.环境智能化与机器人技术的发展[J].机器人技术与应用.2008，3：13～16.

[2]张钹.机器人的智能化.国家863计划智能机器人主题专家组.迈向新世纪的中国机器人.辽宁科学技术出版社，2001：30～32.

[3]赵立军.室内服务机器人移动定位技术研究[D]：博士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[4]Nilsson N J. A mobile automation： An Application of Artificial Intelligence Techniques. Proceedings of the 1st In ternational Joint Conference on Artificial Intelligence. 1969：509～520.

传感服务器 第3篇

在众多应用中, 无线传感器网络是用来协助所谓智能空间。这些类型的应用, 传感器收集用户的背景信息如他们周围的环境和情况。然后服务提供给背景来源, 包括在特定情况下用户希望的自动行动。笔者认为, RFID和无线传感器网络的集成在这些类型的应用中是非常有优势的。以同样的方式, RFID技术将对象信息 (如简单的识别) 透明的提供给用户, 无线传感器装置安装在同类物体可能以相同透明的方式增加信息。融合RFID和传感器网络纳入同一物体会导致真正的智能对象, 它们可以四处移动, 同时以唯一标识提供其感知的背景信息。在本文中, 笔者分析了在所谓“智能空间”中整合RFID和无线传感器网络面临的挑战。

虽然集成的RFID和传感器的数据一般来说是有益的和需要的, 但想要实现的人并不多。例如, 在环境感知系统中, RFID仅仅看作是对环境信息的补充。例如, 文献[1]根据读取用户携带的RFID标签推断出用户状态。尽管如此, RFID信息从未与用户空间中其他传感器的读数进行集成。在文献中智能博物馆概念的实施, 无线传感器网络集成了RFID读取器。然而, 无线传感器网络节点只用于在博物馆空间中接力传输用户的RFID信息。以后, 这些代码只会用来推断用户所在的博物馆地区。文献以同样的方式使用无线传感器网络和RFID读取器读取和中继RFID的编码, 这个例子属于食品方面的应用。

很少有论文真正地着眼于整合RFID和传感器的数据。文献和文献利用madeon-measure设计来关联RFID代码和简单的传感器信息。虽然这些策略提供了一定的融合, 他们的架构是面向具体的应用, 而不是适用于无线传感器网络的普及的设想。在另一个相关的领域, 如文献和文献提供了在RFID标签包括传感器的设计, 无论是被动或电池辅助无源标签。然而, 他们的设计停留在硬件层面, 没有说明他们的设计方案如何用于搭建一个RFID-sensor集成的基础框架。

为合并RFID和传感器的信息所遵循的策略, 对背景信息收集和使用的方式也有大的影响。传统上, 在智能空间中, 用户和背景是解耦的。在这个意义上讲, 主要的信息来源不是来自用户的角度来看, 而是从系统的角度来看。用户的背景信息, 是由分布在边缘系统的独立的传感器读数产生, 完全建立在上层 (即中间件) 。根据这一含义, 背景信息, 然后解释提取成整体意义和行动 (服务) 。这种做法显然有些限制的范围, 因为移动实体将永远是在有限的外部感应下根据有限的信息, 做出适当的决定。在RFID传感器网络中, 在背景信息传输之前, 通过实体间有条件的联系, 背景信息是从用户的角度来获取, 将背景信息的一部分转化到用户的层面。我们认为, 这一框架平衡了背景信息的处理任务, 提供了信息的前处理和后处理一种最佳结合。

一般的背景服务系统, 会提供一般的背景感知服务的架构, 但他们受到前面提到的外部传感的限制。其他项目也侧重于讨论日常物品, 但它们缺乏一般的基础架构以提供自然的服务。此外, 两套有关的工作没有具体考虑RFID信息。很少有人将EPC网络架构扩展到提供背景感知服务。

本文的设计针对背景服务的特殊性, 设计了2层结构, 分别是背景层和服务层。

1 背景层设计

背景层中的RFID标签选取了Gen2标签, Gen2的全球唯一标识, 电子产品码 (EPC) 是一种支持的各行业需要的身份认证方案设计, 它兼顾了各行业的现有的和新的编码体系。在Gen2规范还支持扩展标记来储存用户信息, 我们将用它来储存最低限度的与标记相关的一套逻辑信息。后面会看到, 这一信息将非常有用, 它用来以建立一个在最低层的初步整合。

RFID传感器网络实体就是携带RFID标签的对象。不同的是功能, 正常的RFID标签的对象只能由一些个别RFID阅读器来读取, RFID传感器网络实体互相联系, 然后将其信息联合。为了实现这一目标, 实体使用了具有无线通信功能的传感器节点。分组是指两个或两个以上的实体进行协作, 并决定分享他们的背景资料。实体定期宣传他们的存在, 发送广播的数据包, 并定期获取其他实体的信息, 同步间隔时间。

一般来说, RFID标签的主要目的是提供独特的识别。在EPCglobal的类-1Gen2标准中, 独特的标识是由电子产品的标记代码 (EPC) 给出。标准还规定了可能会储存在标签的内存中的其他类型的信息。在Gen2标签中有4个逻辑独立的记忆部分。存储区1包含EPC信息, 而存储区0和2包含其他考虑安全性和相容性的数据。Gen2还规定第4个存储区, 存储所谓的“用户”数据。其组织, 规模和目的被认为是用户特定的。通过使用这些额外内存来存储一小部分的逻辑数据, 第一阶段的分组程序可以1) 从一开始就提供一个简单的背景解释;2) 当同时与多个实体关联时, 提供的优先次序;3) 提供了一个最起码的安全机制, 授权给民间团体和防止未经授权的联接。

这里将用户存储区分成三个部分。第一部分包括两个16位的标识符, 一个“用户名”和“组ID”, 这与标签的EPC不同, 这里提到的不是有形的产品, 而是其逻辑应用。对任何符合WISSE架构的RFID标签来说, 所属组ID是强制性的, 并应包含一个非零值。它用来定义一般对象类如家具, 人, 车辆, 食品, 图书, 衣服等。用户ID的是可选的, 为用户定义的对象类。第二部分包含“限制位”, 这是一组表明这一实体分组属性的数据。举例来说, 通过使用这些位, 一个实体可以将其利益限制在属于同一组或相同的用户那些实体。这一部分也包含一个8位级别标识, 代表了在分层实体结构对实体地位的估计。例如, 那些直接体现用户身份的物体, 如身份证或护照, 将在分层实体结构被分配一个更高的层次水平。最后, 第三部分指定为用户的密码, 是防止未经授权就获取用户定义的组信息。

传统的以数据为中心的WSN拓朴结构相对简单, 因为传感器网络中有1个基站可以获取所有的网络信息。然而, RFID传感器网络的协议则相对困难, 因为拓朴结构和信息交换都是动态变化的。因此设计相应的监控软件时应该使用图形监控界面。同时需要设计1个监控节点用于专门收集流量信息, 监控软件应该能够创建和监控RFID传感器网络中的每1个实体和传感器节点。由于传感器网络的特殊性, 需要随时监控传感器节点的电量来满足节点级协议, 如簇头选举协议的最低要求。实体可以增加或删除, 同时网络中的各类协议或通信过程也要相应产生。

2 服务层设计

使用服务层需要用到中间件, 实际之间的通信是服务提供商和实体 (客户) 之间进行的, 它独立于RFID传感器网络框架。一些例子包括:1) 通过一个二进制文件的下载服务, 插件, 脚本或类似的;2) 使用RPC (远端程序呼叫) , 如Web服务等;3) 提交自己的背景资料给服务提供商的服务器。这些实体没有直接连接到服务提供商, 中间件还应提供了网关模块, 来路由这些信息。客户想要服务提供商提供的其他事项, 是特定部分服务的执行 (例如, 提供一些驱动) 。如当某些条件得到满足, 如达到传感器的阈值时, 客户要接收到传感器事件或到达某一地点。

在RFID传感器网络中, 数据融合的设计相当于完整的数据库系统的设计过程, 因此在服务层中数据信息的存储是关键技术, 其次是数据分享。本文以EPC网络知识库的形式来实现数据存储, 实体间的关系值与EPC网络中的对应关系相一致。

网络服务对于RFID传感器网络的设计也是非常重要的, 通过网络服务, 才能使用Internet向用户提供B/S或C/S类型的交互和各类服务。本文的设计中, 利用UDDI (Universal Description Discovery and Integration) 网络服务来注册和发现RFID传感器网络的各类服务, 这里使用了WSDL语言 (Web Service Description Language) 和SOAP协议 (Simple Object Access Protocol) 。同时为了实现一些接口和虚拟实体的网络服务, 还使用了SDF (Service Definition File) 来绑定UDDI注册, SDF利用XML来定义用户要求的传感器和执行器等需求。为了在网络中明确标识需求, 中间件匹配模块需要, 利用匹配规则向RFID网络寻求标识匹配, 这时需要向RFID提供商查询RFID知识库来获取对应的EPC标识。

3 结论

在本文中, 提出了一种整合RFID和无线传感器网络的构想, 应用于提供用户和对象的背景感知服务。后续工作中, 将设计相应的软件中间件, 并针对具体的背景服务应用加以实现。

参考文献

[1]丁振华, 李锦涛, 罗海勇, 冯波, 郭俊波.RFID系统与传感器网络中的数据处理综述[J].计算机应用研究, 2008, 03:660-665+673.

[2]翟鸿雁.RFID与传感器网络集成方法研究[J].现代计算机 (专业版) , 2011, 04:21-23.

[3]杜育栋, 杨灵, 李亮.RFID传感器网络在食品生产领域的研究[J].工业控制计算机, 2008, 21 (5) :8-9.

[4]李斌, 李文锋.WSN与RFID技术的融合研究[J].计算机工程, 2008, 09:127-129.

[5]陈国靖, 段其昌.基于RFID和传感器网络的在运物资可视化系统[J].工业仪表与自动化装置, 2007, 1:40-41.

传感服务器 第4篇

关键词：无线传感器网络,多媒体服务质量,区分服务,MAC协议,能量高效

在无线传感器网络体系结构中,MAC(Medium Access Control)协议是保证网络高效通信的重要协议。目前,已有大量针对WSN(Wireless Sensor Networks)不同特点和具体应用的MAC协议相继提出[1,2,3,4,5]。参考文献[1]通过对现有各种WSN MAC协议进行分析和比较,发现MAC协议在扩展性、稳定性、健壮性和安全性等方面存在诸多问题,WSN MAC协议要具有实用性,还有许多基础性问题和关键技术需要解决。参考文献[2]介绍了目前主流的几种传感器网络MAC协议的工作原理,包括Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、BMA、Datagathering-MAC、IEEE 802.15.4等。参考文献[3]分析了多媒体传感器网络MAC协议的特点与面临的挑战,从信道接入、调度、差错控制以及数据包大小4个方面深入讨论了国内外现有的代表性协议及算法。参考文献[4针对无线Ad Hoc网络不能提供数据流优先级区分的问题,提出了一种适用于无线Ad Hoc网络的基于IEEE802.11MAC协议的改进机制。但是并未考虑该机制区分服务之后不同优先级业务流的能耗问题以及整个网络通信的能耗问题。参考文献[5]基于跨层的方法提出了一种能量高效CLEE2MAC(Cross Layer Energy Efficient)协议。但是该机制并未考虑如何确保高优先级数据业务的服务质量。

本文主要通过引入新的控制分组,使目的节点以一定的概率拒绝接收来自低优先级节点的数据,从而确保高优先级数据业务的服务质量,达到对数据业务区分服务的目的。本文还利用相关数学模型对所提出的区分服务机制进行建模分析,得出了两种优先级数据流的饱和吞吐量、分组丢弃概率的计算方法。同时建立能量模型,对该机制进行能耗分析。

1 一种支持区分服务的MAC控制机制

本文采用图1所示的单跳簇状无线传感器网络的网络模型,系统模型由感知节点和簇头组成。假设(1)N个传感器节点均匀地分布在半径为R的圆形区域,簇头数为M,则一个簇内的节点数为N/M(包括一个簇头和N/(M-1)个感知节点),并假设簇头节点和感知节点是同种类型的节点;(2)假设在一个数据采集周期内,所有感知节点采集信息都为k比特并将这k比特信息发送到各自的簇头节点,簇头节点分别将各自簇内的感知节点发送来的信息汇聚后发送给基站;(3)基站接收簇头数据的接收能耗忽略不计,因为基站本身并不受能量限制。

对图1所示的单跳无线传感器网络模型研究一种支持区分服务的MAC协议机制。在原有标准802.11MAC协议基础上引入了新的控制分组,使目的节点能够对数据业务进行选择,这样目的节点可以根据网络的状态决定是否接收本次申请的数据分组,解决了无线传感器网络不能对数据业务进行区分服务的问题,进一步节省了节点能量。

在节点传输数据分组之前,首先需要对所传输的数据分组按照某种规则进行优先级标记,然后在目的节点引入拒绝服务分组NTS(Not To Serve),该拒绝服务分组只针对低优先级数据业务,目的节点可以根据网络的状态以一定的概率拒绝接收低优先级数据分组。一旦分组被拒绝接收则立即丢弃,而目的节点会向源节点发送一个NTS分组。源节点接收到NTS分组后,将其竞争窗口加倍,并再次产生一个随机退避计数器值,进行下一次信道竞争。

对于目的节点拒绝接收低优先级数据分组的概率pr,本文用该分组的MAC层重传次数来表示。如该低优先级分组由于冲突或者被拒绝接收而重传了L1次,则pr表示为:

2 区分服务机制的数学建模分析

2.1 马尔科夫链分析模型

本文将无线传感器网络中的数据流分为两种,一种为对时延敏感的数据流,简称RT(Real-Time)流;另一种为对时延不敏感的数据流,简称BF(Best-Effort)流。显然RT流的优先级高于BF流。另外本文定义i为数据流的优先级类别,取值为0或1,其中0表示RT流,1代表BF流。两种数据流的分组都采用相同的退避机制竞争信道。

令pi,c为第i类数据分组发送时产生冲突的概率,pi,b表示第i类数据分组在退避阶段检测到信道忙的概率。pi为第i类数据分组由于冲突或被拒绝接收而发送不成功的概率。pr表示低优先级数据分组被拒绝接收的概率。可以得出以下结论:

对于传输第i类数据分组的簇头,设B(i,t)表示其在时刻t的退避计数器值,S(i,t)表示其在时刻t的退避阶段。根据参考文献[9-10],{S(i,t),B(i,t)}构成了一个离散的二维马尔科夫链模型,依据其单步状态转移概率和马尔科夫链的相关性质可以得到如下关系:

本文中用低优先级的MAC层平均重传次数来代替上节讨论的单个数据分组的重传次数,因此有:

设发送属于数据流i的数据分组的簇头为Mi个,根据相关假设可以得出:

2.2 饱和吞吐量分析

设Ptr为在一个随机选择的时隙内网络中至少有一次分组发送的概率;Pi,s表示在一个随机选择的时隙中某一类(0或者1)数据分组成功占用信道的概率。Ps表示在一个随机选择的时隙中任何一种数据分组成功占用信道的概率。则有以下结论:

设S为归一化的系统饱和吞吐量,Si表示数据流i所占有的饱和吞吐量的份额,可以得出:

2.3 分组丢弃概率分析

令pi,drop为数据流i的分组的丢弃概率,分组丢弃只会发生在退避计数器达到最大重传次数,再次发送分组时产生分组冲突或者低优先级分组遭到拒绝接收,该数据分组将会丢失。所以有:

3 区分服务模型的性能分析与评价

为验证上述分析的正确性,本节将采用数学分析的方法对在基本接入机制下改进的具有区分服务功能的MAC层协议进行性能分析。本文所采用的参数如表1所示。传感器节点N=200,M从10递增至200。假设MAC层发送的数据分组大小恒定,且有M0=M1=0.5 M。

图2给出了两种数据流所占有的饱和吞吐量分析。从中可以很明显地看出本文提出的方法能够使RT流占用较多的带宽资源,且随着节点数量的增多,BF流的吞吐量会有所下降,而RT流占用的吞吐量有所减小,但下降幅度较小。图3为改进后的系统饱和吞吐量与标准802.11 DCF机制下的饱和吞吐量的变化情况,从中可以看出,随着节点数量的增多,损失的带宽资源会加大,但增加的幅度不大。图4是RT流和BF流在MAC层的分组丢弃概率对比分析。在节点数量较多的情况下,高优先级RT流的分组丢弃概率有所增加,但上升幅度很小,基本维持在一个较小的范围内。

4 区分服务模型能量分析

4.1 能量模型

参考文献[6]针对单跳无线传感器网络系统能量消耗问题,采用电磁场能量扩散理论、电路能量消耗理论和技术,得到其普通节点、数据汇聚和簇头节点的能量模型,以及网络系统能量模型。本文选用的无线传感器网络的节点通信能量模型是Heinzelman的改进first order射频模型。依据图1所示单跳无线传感器网络模型建立以下能量模型。

4.1.1 感知节点能耗

在单跳簇状网中,感知节点在一个周期内只需向簇头节点发送其所采集的数据(假设为k比特)。所以感知节点的发送功耗可以由式(18)表示:

式中,dto-ch为感知节点到簇头节点的距离。

由图1可知,每簇所占的面积为(πR2)/M,如果簇是圆形区域,那么簇内的半径为。假设分布概率密度函数为ρ(x,y),那么感知节点到簇头距离的期望为:

因为假设簇内节点是均匀分布,则

ρ=1/((πR2)/M),代入式(19)可得:

所以,在以后的讨论中,dto-ch=R2/2M。

4.1.2 簇头节点能耗

簇头节点的主要作用就是将感知节点采集的信息汇聚后发送到基站。因为一个簇包括一个簇头节点和N/(M-1)个感知节点,则一个周期内簇头节点必须接收N/(M-1)个节点发送来的k比特数据,然后将接收的数据进行汇聚后发送到基站,则簇头节点在一个周期内的能耗可由式(21)表示:

式中,ERX(k)为簇头节点接收感知节点所采集数据所消耗的能量;k为簇头融合一个数据包所消耗的能量;ETX_BS是簇头发送一个数据包到基站所消耗的能量,在此本文假设是最理想的汇聚,即簇头将接收的数据包汇聚成1个数据包后发送到基站。

4.1.3 网络总能耗模型

整个簇的能耗由N/(M-1)个感知节点能耗和1个簇头节点能耗相加组成,则由式(18)和式(21)可知,单个簇的总能耗为:

又因为,整个单跳簇状网络中包括M个这样的簇,则单跳簇状网的总能耗为:

由式(18)可得,单跳簇状网在一个采集周期内成功传输每比特的能量消耗为:

其中,Psuccess(k)=1-Pi,drop

4.2 能耗分析

根据参考文献[7],假设信道条件为AWGN信道加上BPSK调制。频率f=1 GHz,则波长λ=c/f=0.3 m,发射天线高度ht=1 m,接收天线高度hr=2.5 m,关键距离dc=33 m。假设节点数N=200、分布半径R=100 m,簇头到基站距离dto_bs=125>dc(满足距离的四次方衰减-γ=4),其他相关参数的描述与取值如表2所示。

图5是RT流和BF流的能耗对比分析。可以清楚地看到,RT流和BF流的能耗随着节点密度的增加而增大,当簇头节点数目较少时,二者的能耗相差较大,但是高优先级的RT流在占有较多带宽、保证传输性能的同时,消耗的能量比低优先级的BF流低。随着节点数目的增加,RT流和BF流的能耗越来越接近,当节点数目为200时,二者的能耗非常接近。

图6为改进后的单跳簇状网总能耗与标准802.11DCF机制下的总能耗的变化情况。从中可以看出无线传感器网络节点密度越高,改进后的机制节能效果越好。随着节点数量的增多,单跳簇状网总能耗逐渐增大,但增加的幅度不是很大。在簇头节点数目为10时,改进后的机制总能耗比标准802.11 DCF机制要大,但是,随着簇头节点数目的增加,两个协议的总能耗逐渐接近,当簇头节点数目为200时,二者非常接近,表明改进后的机制适合于节点密度高的无线传感器网络。

针对无线传感器网络不能提供数据流优先级区分的问题,本文提出了一种基于802.11MAC协议的改进机制,该机制通过引入新的控制分组,使目的节点以一定的概率拒绝接收来自低优先级节点的数据,从而确保了高优先级数据业务的传输性能,避免了不必要的能量消耗。相关分析结果表明,该区分服务机制能够使高优先级数据流占用更多的带宽,并且降低了高优先级业务的分组丢弃概率,从而确保了高优先级业务流的传输性能。最后,进行了改进机制的能耗分析,高优先级业务流在占有较多带宽、保证传输性能的同时,消耗的能量比低优先级业务流低,而且进一步证明了该改进机制适合于节点密度高的无线传感器网络通信。

参考文献

[1]蹇强,龚正武,朱培栋,等.无线传感器网络MAC协议研究进展[J].软件学报,2008,19(2):389-403.

[2]崔莉,鞠海玲,苗勇,等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与进展,2005,42(1):163-174.

[3]李瑞芳,李仁发,罗娟,等.无线多媒体传感器网络MAC协议研究综述[J].2008,29(8):111-123.

[4]吴志刚,白光伟,吴艳洁,等.基于区分服务的802.11MAC层协议及其性能分析[J].东南大学学报(自然科学版),2008,38:217-221.

[5]郑国强,孙若玉,李济顺,等.一种适用于无线传感器网络的跨层高效MAC协议[J].传感技术学报,2009,22(1):95-99.

[6]STREAM M,KATZ IL H.Measuring and reducing energy consumption of network interfaces in Hand-Held devices.IEICE Transactions on Communications.Special Issue on Mobile Computing,1997,ES0-B(8):1125-1131.

传感服务器 第5篇

在9月12日的中国 (上海) 国际传感器技术与应用展览会上, 王亮分享了这样一个案例:我最近走访了一个家电生产厂, 他们希望开发一种技术可以检测冰箱里的食物是否有农药残留和变质现象。这个问题的难点在于要如何在众多而复杂的食物气味之中排查农药以及变质的气味。比如冰箱里的榴莲会产生异味, 想要检测的产品变质了, 也有气味, 那么该如何区分出来呢?想要解决这样的问题, 没有一个单一的传感器可以完全胜任:光谱能发现残留物, 化学传感器能检测气体, 摄像头能观察产品颜色的变化……所以, 客户的需求有时会涉及到多种不同的技术, 而且这些技术之间也是有交集的。回看传感器的发展, 我们会发现是通过跨学科、跨技术、跨产品线的不断实践, 才得以形成一个共同的或者是组合的解决方案。而这样复合的解决方案则是霍尼韦尔的核心竞争力之一。

传感器之间的交集也体现在现今的互联大趋势上, 王亮表示, 霍尼韦尔传感与生产力解决方案部为应对这种互联趋势, 在战略方面做出了相应的调整, 向软件业务发展。近几年, 霍尼韦尔针对不同产品开发了很多系统软件, 但是如何打造一个共有的软件平台, 是霍尼韦尔这几年努力的一个发展方向。霍尼韦尔未来的发展方向是工业界的软件公司, 要致力成为工业界的Apple (苹果) 。从霍尼韦尔传感与生产力解决方案部的角度来说, 虽然目前绝大部分业务还是属于硬件业务, 但正在软件业务的道路上继续努力, 不断探索。当被问及软件产品是否会收取相应的费用时, 王亮给出了下面的回答:霍尼韦尔开发的软件, 付费是针对一部分客户的, 而不是针对所有客户的。不同的人群有不同的诉求, 软件会针对他的诉求来提供相应的支持。所以收费问题完全取决于用户所需要的数据信息, 不同的数据包, 不同的页面信息, 会因为其独特性而具有不同层面的价值。

高温光纤传感器传感头材料 第6篇

近年来随着光纤辐射测温技术的发展,为高温测试提供了一种更为理想的手段,热辐射光纤温度传感器[3]就是用光纤内产生的热辐射来传感温度的一种器件,它以光纤纤芯的热点所产生的黑体辐射现象为基础,光纤本身作为一种待测温度的黑体腔,若光纤与其周围环境处于热平衡状态,则光纤辐射特性确定的光纤温度就是环境温度。但在进行高温测试时,普通的石英光纤受限于自身熔点的限制,用其研制的光纤温度测试仪在高温领域很难有所作为。通过对光纤高温传感器传感头的热辐射特性进行理论分析,并对比几种高温单晶材料进行对比分析,从而很好地解决了这些问题,并在此基础上研制的新型光纤高温传感器及光纤测温仪,为其实用化奠定了基础。

1 高温光纤传感器

1.1 热辐射测温原理

热辐射,即物体中的原子、分子受热激发而发射电磁辐射的现象,当物体的温度高于绝对零度(T>0 K)时,理论上讲物体都存在热辐射。热辐射能力的大小与物体的温度、材料辐射系数等有关,辐射高温光纤传感器的理论基础就是黑体辐射的普朗克辐射定律[4]。普朗克辐射定律揭示了真空中黑体的单色辐射能量Eb(λ,T)随波长λ的分布规律,其表达式为

其中,C1、C2分别是第一、第二普朗克常数,C1=3.741 8108(W⋅μm4/m2);C2=1.438 79104(W⋅μm4/m2)。由式(1)表示的辐射能量Eb(λ,T)与波长λ、温度T的关系直观地表示如图1、图2所示。

由图1、图2可以看出:辐射强度随着温度的升高而迅速增加,温度越高,单色辐射强度越大,但在短波段的增长速度比长波段的要快;当温度一定时,单色辐射强度随波长的不同按一定规律变化,在变化中存在一个波长,当温度升高时该波峰向波长短的方向移动,即温度越高,单色辐射强度幅值对应的波长越短。辐射测温即是依赖辐射强度随温度升高而增大这一关系来确定被测温度值的。但普朗克辐射定律反映的是理想黑体的辐射情况,而实际存在的物体都不是理想黑体,且辐射特性差异较大,对于固体的热辐射,热辐射的吸收和发射作用对于非透明固体都发生在物体表面的薄层内,当热辐射穿过厚度为0.025~0.035μm的金、箔等金属薄膜时其强度大大衰减,并减小到原来入射强度的十分之一左右。薄膜的厚度很小,非透明固体对热辐射的吸收与发射只在表面进行,热辐射不能穿透非透明固体,所以固体辐射有时也称为表面辐射。一般情况下遇到的热辐射主要在红外区,而在该波长范围内,物体的辐射特性一般随波长没有太大变化,可近似认为黑度ε(λ,T)与波长无关,即ε(λ,T)=ε(T),则式(1)可简化为

式(2)称为灰体的普朗克定律,热辐射满足这个定律的物体称为灰体,而实际表面辐射非常接近灰体辐射,实际中的灰体是在透明的单晶光纤上镀制几层耐高温不透明的固体材料来制作黑体腔,并以此来制作光纤高温传感器及光纤测温仪。

1.2 光纤高温传感器工作原理

光纤高温传感器的工作原理[5]是由黑体辐射腔感受被测物体的温度,发射出辐射信号,光纤传感头接收到黑体辐射腔发射的辐射信号,经传输光纤传输到光电检测系统,经数据处理最后在显示系统上进行显示。系统结构图如图3所示。

传感器置于待测温度点上,黑体腔感温形成一个辐射源,沿高温光纤传播。波长为λ的辐射通量Φ(λ,T)由普朗克黑体辐射定律决定,高温光纤一方面传输辐射能量,另一方面通过光纤耦合器与低温光纤进行耦合并继续传输辐射信号,低温光纤传输的辐射光信号经光电探测器转变为电信号并放大,有存储测试装置采集数据,经数据处理,在显示系统上进行实时显示。

为了应对恶劣的测温环境,光纤高温传感器的黑体腔传感头应能适应高压、强冲击等外在因素的破坏,因此必须制作理想的黑体腔探头,另外高温黑体腔的热辐射特性直接决定了光纤温度传感器的各种性能,是研制光纤高温传感器的基础。

1.3 黑体腔探头

黑体腔探头是热辐射光纤测温中的辐射敏感元件,是光纤高温传感器的重要部件之一,其制作是在高温光纤上镀制一定材料的薄膜层,使腔体的辐射特性接近于普朗克辐射定理所述的理想黑体的辐射特性,这样形成的黑体腔就是所使用的黑体腔探头。

理想的黑体腔探头是制作光纤高温传感器的重要保障,而理想的传感头材料则是制作黑体腔探头的关键,因为传感头材料的选择决定了光纤高温传感器的测温上限、动态响应和使用寿命等,从而直接影响测温精度及稳定性。因此制作黑体腔探头的传感头材料应具备以下特点:(1)自身熔点高,耐高温,在高温下具有稳定的物化性能,如高温下对有机酸和酸性气体以及对碳都有很好的抗腐蚀性等,以保证达到所需要的测温上限;(2)热容量及其被测物体之间的传热热阻足够小,热惯性小,使其对被测温度的响应滞后误差可以忽略;(3)结构尺寸可以加工到很小,使其不仅具有高的空间分辨率,并且减小对被测温度场的干扰。

2 高温传感头材料

通过对高温光纤传感器的性能及热辐射特性进行理论研究,并分析制作黑体腔探头的传感头材料所具备的条件,提出下面几种晶体材料来进行研究。

2.1 镁铝尖晶石(Mg A12O4)

镁系化合物是极为重要的化学工业品,在化工、冶金、环保、建材、医药、食品、电子等行业具有广泛的用途,其中消耗量最大的是耐火材料级氧化镁,而单晶氧化镁就是一种很好的耐火材料[6]。单晶氧化镁是指Mg O含量在99.95%以上,具有极强的耐高低温(高温2 500°C,低温-270°C)、抗腐蚀性、绝缘性、良好的导热性和光学性能(光波长在200~2 000 nm透过率92%,光波长在2.5~7μm时透过率大于92%)、无色透明的晶体。

根据研究单晶氧化镁材料的许多性能可以通过掺入不同稀土氧化物进行调节,如掺入4%稀土氧化物的尖晶石具有非常致密的微晶结构,当不掺加任何稀土氧化物时的微晶颗粒尺寸为15~20μm,添加氧化镱和氧化镧后为10~15μm,添加氧化钇后为20~25μm。另外Mg A12O4就是用氧化镁和氧化铝为原料合成的掺杂稀土氧化物的镁铝尖晶石。

镁铝尖晶石(一般简称尖晶石)的化学式为Mg A12O4(缩写为MA),是尖晶石结构,在所有的尖晶石类结构中,氧原子是等同的,以立方密堆积排列。在Mg Al2O4中,由于氧离子比阳离子大得多,铝和镁的金属离子分别按一定的规律插入在O2-最密堆积形成的八面体和四面体空隙中,并保持电中性。Mg Al2O4中Mg O含28.3%,A1占20 371.7%。如图4所示,尖晶石仅是Mg OAl2O3二元系中的一个化合物,其熔点为2 135°C,系统中形成两个低共熔体,热膨胀系数小、热导率低、热震稳定性好、抗碱侵蚀能力强的高温耐火材料。在尖晶石方镁石和尖晶石刚玉分二元系统中,两个低共熔体的组成分别为77/23和11/89,其共熔温度的分别为2 050°C和1 925°C。由图4可以看出,在高温下方镁石在尖晶石的溶解度可达最大值10%,刚玉在尖晶石的溶解度更高。在1 900°C以上时,固溶量可以达到20%以上。

在镁铝尖晶石构造中,Al-O、Mg-O之间都是较强的离子键,且静电键强度相等,结构牢固。因此,镁铝尖晶石晶体的饱和结构使其具有良好的热震稳定性能、耐化学侵蚀性能和耐磨性能,能够在氧化或还原气氛中保持较好的稳定性,并且具有良好的机械性能和光学性能[7],如图5所示。但是在合成镁铝尖晶石时,会伴有5%~8%的体积膨胀对产品性能造成不良影响,而且其再结晶能力差,很难合成致密的镁铝尖晶石制品。

2.2 蓝宝石

蓝宝石晶体是自然界中最硬的氧化物晶体,是氧化铝最基本的单晶形态,具有良好的抗腐蚀性能[8]。它具有良好的光学性能,单晶蓝宝石晶体为六方晶结构,蓝宝石晶体可满足高温高压及高腐蚀环境下进行偏振测温需求,机械强度好,本质绝缘,耐腐蚀,在0.3~4.0μm波段范围内透光性很好,熔点高达2 045°C,是一种优良的近红外光学材料,蓝宝石单晶光纤既具有蓝宝石单晶的优良特性又有光波导的特点,使它在高温光纤传感和近红外传能等领域具有很好的应用前景。在高温传感领域目前已研制成宽测温范围、高精度、高分辨率、宽频带的蓝宝石单晶光纤高温计。

α-Al2O3属六方晶系,其结构是O2-的六方紧密堆积,Al3+离子填充在由O2-形成的八面体的三分之二的空隙中,单位晶胞为锐角菱面体。具有很好的物理稳定性,其熔点高达2 045°C,莫氏硬度为9,热稳定性好,热导电率比较大。在可见光及近红外区域,具有很好的光传输特性,在波长为900 nm处,理论损耗仅为210-5d B/m,其透射光谱图如图6所示。

α-Al2O3晶体在常温下具有很高的机械性能,但随着温度的升高而明显下降,在制作高温传感器时必须给单晶光纤设计合适的保护套筒,另外晶体具有非常好的化学稳定性,几乎不溶于水、强酸和碱溶液。

2.3 氧化锆晶体

氧化锆是一种十分重要的结构和功能材料,具有非常优异的物理和化学性能,其作为新型材料发展和应用越来越显示其重要地位。氧化锆是一个多晶相体系,纯氧化锆(Zr O2)在不同的温度范围内通常表现为不同的晶系:单斜、四方和立方,如下所示

纯氧化锆晶相转变过程是可逆的,Zr O2由单斜向四方结构转变时,通常温度在1 100°C左右开始转变,但是在冷却时,四方Zr O2向单斜Zr O2转变时,由于单斜Zr O2晶核形成困难,转变温度在900°C左右开始转变,因此会出现温度的滞后现象。而温度上升到2 300°C后,四方Zr O2向立方Zr O2转变,但温度下降后,立方Zr O2会转变成四方Zr O2,室温下纯的四方氧化锆和立方氧化锆晶体无法稳定存在。而在室温下纯的氧化锆是通过掺杂适当的氧化物(如Ca O、Mg O、Y2O3、Ce O2等),保持四方和立方结构的氧化锆固溶体稳定存在。这些稳定的四方和立方氧化锆固溶体具有优良的电学、光学及力学性能,它们在燃料电池、高温传感器、结构和耐磨部件等方面都显示了良好的应用前景。

在2 370~2 680°C范围内纯氧化锆呈现立方萤石结构,晶格内每个Zr原子与8个O原子等距离配位,每个Zr原子与4个O原子是四面体配位,这种结构中,Zr4+离子形成面心立方紧密堆积,O2-离子也为简单的立方堆积,Zr4+离子处于O2-离子简单立方体的体心位置,其配位数为8。阴离子处于Zr4+离子四面体中心位置,其配位数为4。在O2-离子形成的简单立方体中,只有一半体心位置被Zr4+离子占据,因此,单位晶胞中心有空位出现。正是这种空位的出现,导致在常温下纯氧化锆立方晶体无法稳定存在,需在Zr O2晶体中添加某种氧化物与之形成稳定的固溶体,但要求添加氧化物的阳离子半径与Zr4+半径相近、性质相似并且化合价要小于4+,这样才有可能形成位置稳定的固溶体。研究指出一些氧化物可以和Zr O2形成固溶体,如:Y2O3、Ca O、Mg O等,其中Y3+(0.96埃)的离子半径最接近Zr4+离子半径(0.82埃),形成的Y2O3Zr O2固溶体比较完全,稳定效果最好。这种完全稳定的立方氧化锆固溶体,具有强度高、硬度大、化学性能稳定、光学透过率高、高温下有一定的导电能力。

2.4 对比分析晶体材料

上述3种晶体材料都是新型功能材料,自身都有很高的熔点,并且具有耐高温、耐腐蚀、抗冲击、高强度及良好的电绝缘性能等优点,又具有良好的光学性能,在可见光及近红外波段具有良好的透过率。是制作热辐射光纤高温传感器传感头的理想基本材料,但是现实中制作光纤高温传感其最成功的材料还是蓝宝石材料,并且已有成形的蓝宝石光纤高温传感器产品,另外镁铝尖晶石再结晶时会伴有5%~8%的体积膨胀,现实中很难合成致密的镁铝尖晶石制品,从而大大制约了用其来制作光纤高温传感器。

近年来,随着测试温度的提高(大于2 000°C),现在已成形的蓝宝石光纤高温传感器产品现已无法完成其测试,氧化锆作为近几年发展起来的一种新型光学材料,已越来越多地被应用到光纤高温传感器的研究中,由于其自身的高熔点特性,用其研制的高温传感器在理论上完全可以在测试条件恶劣,表面温度高(>2 000°C),伴有高压和高速气流等环境下进行高温测量。

3 结论

镁铝尖晶石作为一种功能光学材料,由于其理化性能与蓝宝石非常接近,但是其硬度比蓝宝石小,且实际的生长中因其自身在生长中伴有的体积膨胀,现实中很难生长出致密结构的镁铝尖晶石制品,虽然熔点2 500°C大于蓝宝石,但是却小于氧化锆的2 700°C,因此用其制作光纤高温传感器如非特别需求很难应用到实际生产中,而实际中正由于高品质镁铝尖晶石的生长困难,前期都是在进行探索性的研究,而测温的上限温度并不高。但是用蓝宝石制作的光纤高温传感器产品已成型,并已用到冶金、炼钢等高温测试领域的实际生产中。例如20世纪浙江大学研制的Model-S101型蓝宝石光纤高温测试仪用在中频电加热石英管拉制炉上实测的最高温度达1 880°C等。随着测温领域的深入发展,受限于测试温度上限的要求,用氧化锆单晶光纤制作的光纤高温传感器也在研究中,我国浙江大学等已在此领域做了大量的工作。

摘要：热辐射高温光纤传感器是以光纤纤芯的热点所产生的黑体辐射现象为基础来传感温度的一种器件,对于传感器而言关键的是传感头材料。通过对热辐射测温原理进行理论分析,并简单阐述了高温光纤传感器的工作原理及传感头材料的特点,进而提出了三种高温传感头材料,并对其材料的结构和性能进行了深入的研究,特别是用于超高温测试的氧化锆晶体传感头材料。

关键词：光纤高温传感器,传感头,氧化锆

参考文献

[1]张刚.光电高温传感器在热风炉上的应用[J].科技创新导报,2008(4):104-105.

[2]郭予权.兵器瞬态测温技术的现状及发展方向[C]//中国兵器工业学会测试技术瞬态测试技术研究会会议论文集,1991.

[3]R R Dils.High Temperature Optical Fiber Thermometer[J].Journal of Applied Physics,1983(3).

[4]李兵,郑魏.黑体腔光纤高温传感器的原理与应用[J].传感器与仪器仪表,2007(23):159-160.

[5]王高,周汉昌,李仰军.蓝宝石光纤瞬态高温传感器技术研究[J].传感器世界,2004,12:16-18.

[6]范恩荣.高温传感器材料——掺稀土氧化物的镁尖晶石陶瓷制备[J].佛山陶瓷,2003(3):28-30.

[7](日)若木守明,周海宪,程云芳.光学材料手册[M].北京:化学工业出版社,2010:175-178.

馈电状态传感器传感头结构形式研究 第7篇

《煤矿安全规程》(2012年版)规定:矿井安全生产监控系统必须具有断电状态和馈电状态监测功能,并且馈电状态传感器应设置在被控设备开关的负荷侧。因此,馈电状态传感器主要用于煤矿安全监测控制系统中,安装在被控设备(如采煤机、输送机、提升机、破碎机、泵站、通风机等)控制开关的负荷侧,对被控设备断电与否的工况状态进行在线监测,与系统断电控制相对应,防止煤矿井下假断电现象[1]。目前馈电状态监测一般采用接触式和非接触式2种方式。非接触式是将馈电状态传感器卡在控制开关负荷侧的电缆上,通过感应电缆的对地电场进行馈电状态监测,传感器体积小,重量轻,安装维护方便。但由于馈电状态传感器检测探头部分裸露在外部环境中,易受井下其他设备、电缆辐射及场域内人员的干扰,所以抗干扰性能差,可靠性不高;另外由于铠装线缆的电场遭到屏蔽,目前非接触式馈电状态传感器无法对铠装电缆进行馈电检测。接触式是指直 接接触被 检测馈电 电缆芯线,将电压(AC127~1140V)经光电转换后进行馈电状态监测,该方式可靠性较高,但由于目前国内的电压转换模块仅能对不大于AC1140V的电压进行转换,故无法实现AC3300V及以上电压馈电。在煤矿井下,传感器如果要直接接触馈电电缆芯线,需通过喇叭嘴在馈电开关接线腔内接线,操作比较复杂,维护难度大。本文针对铠装和非铠装2种矿用电缆分别设计出2种传感头结构形式,采用2个极板检测电缆周围电场状态,从而间接检测出被控设备的馈电状态。

1交变电场测量方法

交变电场传感器有球型、平行板型、盒型、天线型、圆柱型等结构,在工程应用中主要有球型和盒型电场传感器[2]。球型结构的电场传感器电场畸变相对较小,可准确计算其表面电荷与电场的关系,但传感器的生产制作比盒型结构的传感器复杂。盒型结构的电场传感器电场畸变相对较大,可粗略计算其表面电荷与电场的关系。针对馈电状态传感器的应用环境和特点,以及传感头生产工艺性,本文采用盒型结构的电场传感器。传感器在交变电场的作用下,其金属电极表面会感应出与待测电场同频率变化的感应电荷[3]。对该感应电荷进行相应的处理,得到与待测电场成比例关系的电场测量信号,再根据相应的数学关系计算出待测点的电场强度,从而实现电场测量[4]。

目前能反映交变电场测量信号的主要是感应电荷在交变电场传感器2个电极间产生的感应电流或感应电压:当传感器的2个电极在内部经一个电阻短接时,感应电压在电阻上产生的感应电流即可作为测量信号;当传感器的两电极间接入一个测量电容时,感应电荷在电容上产生的感应电压也可作为测量信号[5]。本文设计的馈电状态传感器传感头部分采用后一种方 式,即传感器 的2个电极内 部经一个测量电容连接,如图1所示。

假设在传感器放入空间电场前,未畸变电场为E0(t),当把传感 器放入空 间电场中 时,传感器的两半盒电极表面将在空间电场静电感应的作用下产生感应电荷。设传感器上半盒表面积为s,感应电荷的面密度为σs,则上半球壳的面电荷大小为

电场中放入盒型传感器后,传感器表面电荷量Q(t)与未畸变电场E0(t)成正比,即

式中:k为变换系数。

感应电荷Q(t)作用在测量电容CM上将产生一个电压UM(t),其大小为

将式(2)代入式(3)可得

从式(4)可知,通过测量电容上的电压UM(t)即可计算出电场E0(t)。

2传感头结构设计

2.1非铠装电缆用传感头结构设计

非铠装电缆用传感头从内到外依次为矿用防水布、检测极板、屏蔽层、矿用防水布,其结构如图2所示。AC127~660V的被控设备一般采用非铠装电缆,若被控设备未断电成功,则电缆线芯带电,就会在电缆外面产生电场。传感头的2块平行极板通过包裹式结构卡在控制开关的负荷侧电缆上,为适应矿用动力电缆直径(33~88mm),极板间距设计为35mm。包裹不同直径的电缆后,两极板在对称平面上的投影面积重合,从而形成感应电容。极板外侧包裹层为200目黄铜网,这样在极板和电缆被测段外侧形成对外界屏蔽的电场场域,可有效屏蔽井下其他设备、电缆辐射及场域内人员对被测电场的干扰,使传感头采集的信号更加稳定、真实。将采集的信号通过后端电路进行放大处理、分析,即可判断被控设备是否断电成功,然后反馈至控制开关,实现对被控设备的在线馈电监测。非铠装电缆用传感头安装示意如图3所示。

2.2铠装电缆用传感头结构设计

铠装电缆用传感头结构形式为两极板由绝缘隔板隔开,形成感应电容,外侧用PVC材料塑封,如图4所示。AC660V以上设备一般采用矿用铠装电缆,尤其AC3300V及以上的被控设备均采用矿用高压铠装线缆。由于铠装电缆的外表皮上有金属屏蔽层,即使电缆芯线带电,也不会在铠装电缆外产生电场[4],所以无法通过直接感应电缆外部电场进行馈电状态监测。本文基于电场感应原理,将传感头通过喇叭口插入被测设备控制开关的隔爆腔体内,感知腔体内的电场变化,如图5所示。另外,隔爆腔体内形成了屏蔽外界干扰的感应场域环境,因此,不会受到井下其他设备、电缆辐射及场域内人员对被测电场的干扰。

3结语

针对铠装和非铠装2种矿用电缆设计了2种结构形式的传感头,采用2个极板检测电缆周围电场状态,从而间接检测出被控设备的馈电状态。创新性的结构设计有效解决了现有矿用馈电状态传感器检测非铠装电缆时存在的易误报、抗干扰能力差、稳定性差的问题。

摘要：针对现有馈电状态传感器易受外界电磁场干扰而导致监控结果不准确以及无法监测AC3 300V及以上设备断电状态的问题,通过研究电容式非接触电场检测原理,设计出2种馈电状态传感器传感头结构形式,分别对铠装电缆和非铠装电缆电场变化进行检测,从而实现对被控设备的在线馈电监测,有效解决了现有矿用馈电状态传感器检测非铠装电缆时存在的易误报、抗干扰能力差、稳定性差的问题。