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恶劣环境下无线温度传感网络的设计与实现
E. Sisinni lowast;, A. Depari, A. Flammini
信息工程系，布雷西亚大学
摘要
无线传感器网络以其自身的优势越来越受到人们的青睐。尽管人们通常更倾向于遵从标准，但特定的解决方案可以提供更好的性能，因为它们可以根据应用程序的需求进行个性化定制。在这项工作中，实现了一个创新、专门的无线传感器网络蒸汽灭菌器温度探头，通过开发和实验测试，能够克服目前采用的有线解决方案的局限性。事实上，蒸汽灭菌器是最具挑战性的热映射环境之一（温度从minus;5至 140◦C）在湿度（相对湿度100%冷凝）条件下，压力高达5巴。据作者所知，该系统是首次尝试使用无约束节点，不仅能记录温度数据，而且还可以实时控制蒸汽灭菌器。实验结果验证了架构、硬件和软件解决方案的有效性，提供了与传统有线系统相当的总体性能。特别是精度优于1℃条件下，在整个工作范围内都能获得可靠数据，因此广泛的满足了标准化机构的要求。
关键词：无线传感器网络 高温技术 智能传感器 温度传感 湿热灭菌器
1. 引言和背景
众所周知，无线传感器网络（WSNs，通常采用射频（RF）技术）有很多优点；其中，最重要的是整体成本的降低，布线错误的消除（或至少最小化），以及高度的灵活性和可扩展性，这些都允许增量升级网络和轻松添加新设备[1-3]。提供用户可负担的和多样化的电源仍然是自主设备的主要限制之一，但最近出现了一些改进方案[4]。无线传感器网络也越来越广泛地应用于家庭和楼宇自动化的监控应用中[5]。工业自动化也受到了影响，借鉴消费者世界的解决方案[6-9]，控制应用也受到了影响[10]。一些标准“无线现场总线”如WirelessHART或ISA100.11a[11，12]，证实了这一趋势。
尽管如此，许多符合先前所述通信协议的无线温度传感器可从商业上获取，此类标准被设计为“同等”地满足普遍需求的功耗，并在产品确定性、可靠性和可用性之间取得折中位置。因此，在许多实际应用中，效率和/或性能没有得到充分的支持（例如，由于堆栈复杂性而导致的长端到端延迟）。举一个例子，考虑工作实际[13]，其中有一个专门设计的轻量级协议，建议减少功耗，以处理无线温度传感器的家庭和楼宇自动化。此外，尽管一些商用解决方案提供室外和符合ATEX标准的外壳，但它们在恶劣环境中工作时会受到影响，特别是在必须承受高温、压力和湿度的情况下[14]。高温无线发射机通常由连接到远程低温侧的调节元件和传输电路高温侧的传感元件组成。其他商用无线设备在恶劣条件下的温度传感实际上表现为简单的数据记录器，即它们不能实时工作。事实上，能够在非常恶劣的条件下工作的电子设备直到最近才被提出[15]。关于相关研究，文献中有几篇论文描述了温度传感器能够抵抗恶劣的无线读取环境，但根据作者的理解，没有人能够在具有实时约束的真实网络中使用[16-18]。本文所描述的工作试图克服这些限制，集中在验证湿热的温度传感消毒器。这个项目有三个目标。首先，提出了一种基于分布式协调器的高可靠性网络体系结构。其次，开发了能够在恶劣环境中生存的实际节点。第三，进行了广泛的实际测量活动，以验证所提出的解决方案的可行性和性能，以及在遗留消毒系统中集成的易用性。据作者所知，这是第一个通过无线解决方案进行的在线实时温度测量的应用。实际上，市面上有几种能够下载记录数据的设备可用于灭菌器验证（例如，参考文献[19]），但没有设备能在正在进行的灭菌过程中传输温度信息。
本论文结构如下。下一节将简要介绍应用要求。第3节概述了所提出的体系结构，而第4节详细描述了协议的实现。第5节讨论了实际应用，第6节报告了一些实验结果。最后得出一些结论。
2. 应用场景
在“湿热灭菌”中，高压、高温蒸汽射流被冲入一个叫做高压灭菌器的特殊密封容器中。灭菌过程由高压灭菌器内的压力和温度控制。环境条件非常恶劣；温度范围从minus;5至 140℃；压力高达5巴，湿度可达到相对湿度100%（冷凝）。控制和验证过程通常使用有线传感器进行（例如，根据ISO 17665-1[20]关于过程，EN 285[21]关于设备）。尽管其突出的简单性和明显的成本效益，这种方法存在许多问题，包括昂贵的维护和长时间的安装。可能需要几个小时来完成电缆/传感器的清洁和定位；由于高压灭菌器小车的插入不准确，电缆经常断裂。此外，湿气/水可能渗入电缆，到达传感器或采集模块，产生不准确的读数。在某些情况下，灭菌过程中腔室中的物品会移动或旋转，从而进一步降低有线连接的可靠性。最后，对于任何有线系统来说，其灵活性和可伸缩性本质上都很差。基于这些原因，提出了一种基于射频（RF）无线通信的新的、创新的解决方案。
2.1. 温度传感要求
湿热灭菌可接受的温度范围为118–134℃。美国药典（USP）在一个脚注中解释说：“高压灭菌器循环，在介质或试剂的药典中有规定，是在121℃下以15分钟为周期、 除非另有说明”[22]。欧洲药典（EP）和英国药典（BP）建议加热过程至少为121℃作为水性制剂的参考条件[23]。更具体地说，EN285[21]规范对用于验证灭菌程序的测温记录仪器和温度传感器提出了严格要求。分辨率必须至少为0.1℃、 精度必须在1%范围内至少为 50℃至 140℃、 采样周期必须小于2.5s。目前可用的系统使用传统的温度传感器（A类的PT-100电阻温度检测器（RTD）），连接到过程控制器的采集模块。根据容器尺寸，实际连接长度可达10 m。250 ms的循环时间（EN285的十倍过采样要求）来实现可靠的闭环调节。
图1 湿热灭菌器无线温度监控系统示意图(GW是网关，R0..7是接收机，T0..7是发射机；Sa..f是传感元件）
2.2. 高压釜中射频信号的传播
在2.4千兆赫的未经许可的ISM波段工作的无线电已被考虑，以利用大规模生产量。在感兴趣的频率下，水的存在可以被视为有损电介质[24]，因此，尽管损耗较高，但系统的功率预算可以计算为空气传播。被监测室的相对较小尺寸（最大长度约为10米）保证了良好的噪声容限。此外，下一节中描述的“分布式协调器”方法[25]确保了视线（LOS）条件，从而最大限度地减少了来自腔室导电壁的反射的副作用。使用实时频谱分析仪（泰克公司的RSA3408A）对消毒器容器中的无线信号传播进行了实验验证，以评估可用的链路预算。测试报告在灭菌过程中链路预算约为20 dB（即，工作温度t=121℃带冷凝蒸汽[26]）。事实上，没有数据包丢失，证实了尽管存在饱和蒸汽和容器金属壁，视距信号被正确接收，可能的反射可以忽略。第6节中详细介绍的基于实际实现的解决方案的新实验结果清楚地证明了所提出方法在实际场景中的有效性。
3. 分布式测量系统概述
图1中描绘了所提议的解决方案的框图，其示出了多层混合有线/无线网络。基于标准IEEE802.15.4无线电的智能传感器通过手推车部署在室内。过程控制器可以通过一个网关访问过程数据，该网关实现了一个连接，一个连接到传统的现场总线链路（从而满足与遗留系统的互操作性），另一个连接到WSN致动器（即图1中未显示的泵）位于腔室外部，通过传统的有线解决方案连接。Profibus DP现场总线可用于选定的商业灭菌器；但是，可以考虑任何其他有线解决方案。过程控制器是Profibus DP主控制器，网关通过专用RS485链路连接Profibus段。协议适配发生在应用层；有时这种系统也被称为代理设备[27，28]。特别是，整个无线传感器网络作为一个Profibus从设备出现。因此，WSN的存在对控制器是隐藏的。Profibus-DP从站实现的详细描述超出了本文的范围。为简单起见，仅支持Profibus DP-V0配置文件；配置、诊断和温度数据必须在过程控制器和网关之间循环交换，因为不处理非循环通信。
无线传感器网络的组件可根据其作用分类为：
bull;网关设备（以下也称为GW）
bull;接收器装置（以下也称为Ri，0le;ile;7取决于网络大小）
bull;发射器装置（以下也称为Tj，0le;jle;7取决于网络大小）
在GW侧，温度数据每Tcyc=250 ms周期性更新一次，因此相对于EN285标准的最长采样周期，实现了10倍的过采样。反过来，控制器每250毫秒最多有48个温度读数可用。考虑到每个温度值都使用16位字来表示，以确保足够的分辨率和范围，设计的解决方案在应用级别提供的传输速率为3072 bps。作为比较，WirelessHART标准支持网络的实际循环时间不少于2秒，网络包括48个节点，每个节点产生一个温度读数[29]。
网络中至少必须配备有一个感测元件的网关、接收器和发射器才能工作。网关（GW）通过提供电源并提供串行通信链路的基础设施物理地连接到接收器（R）。选择RS485多点链路具有鲁棒性好、成本低等优点。每个接收器都是一种共享同一有线主干的网络接入点。因此，网络的唯一故障点是GW；如果需要，它可以被复制，但是处理它的冗余超出了本文的范围。实际的无线节点是发射机T；这种电池供电的智能传感器能够获取多达六个温度传感元件（即PT-100 RTD，在图1中称为Sn，n=a..f），这些元件通过长达3米的不锈钢护套直接连接到设备外壳。因此，每个网络的感测点的总数量可以很容易地从1扩展到48。发送器处理模拟值，并产生一个数字转换值作为输出[℃] 分辨率为0.01℃、 超过所需范围[-5， 140] ℃。读数经过线性化、校准和温度补偿，详见第5.1小节。
过程信息从温度传感器流向过程控制器；因此，之所以选择术语“发送器”，是因为其与术语“传感器-发送器”相似，即提供来自传感器的标准校准输出的测量系统。因此，这些设备被称为“接收器”。显然，接收机和发射机都是基于无线收发器的双向设备。
“编程器”（见图1）是具有无线功能的节点，但它不参与过程数据交换，用于在调试阶段配置变送器（上传电子数据表）并定期校准变送器。根据灭菌过程质量规范的要求，过程控制器可以方便地访问存储在电子数据表中的所有传感元件的序列号。因此，发射器、接收器和传感元件的数量可以根据制造商和最终用户的需要以比有线方法更简单的方式进行更改。
4. 有线和无线通信协议
网关和接收器的集合（除天线外实际放置在高压灭菌器外）构成一个称为“分布式协调器”（DC）的单一逻辑实体，如[25]中所定义。DC是星型网络协调器（starnetworkcoordinator）的泛化，即作为单跳无线传感器网络接收器的特定设备。由于许多可能的发射机-接收机链路的固有冗余，直流电允许提高网络可用性和可靠性，这是所考虑应用的基本要求[30]。此外，它优化了传统星形拓扑的功耗。GW只需建立一个全面的公共数据库，其中包含接收器“听到”的所有读数；过程控制器检索过程数据并执行一致性检查。这样，GW和接收机的计算负担（和设备成本）被最小化。从不同的角度来看，DC可被视为交换天线分集的基本形式，其中暂时不在接收器rca的视线内的发射器节点可被另一接收器Rjne;i感测。从[25，26]中描述的结果开始，直流有线和无线网络的新的和专门设计的协议已经实现，如本节其余部分所述。
4.1. 基于RS485的有线网络协议描述
有线专有协议（利用RS485，仅在数据链路和应用层定义）旨在提高整体通信健壮性。数据传送基于利用主从时分多址（TDMA）的循环交换，这保证了确定性行为（参见图4，其中RS485网络定时与无线对等方进行比较）。双向通信允许使用“请求”和“响应”分组（如图2a中所示）来收集发射机/接收机配置和处理数据（即，温度读数）。为了安全起见，实施了一个简单的访问控制列表；GW持续跟踪接收器（R）的活动，并检查实际网络配置是否与过程控制器中存储的网络配置相同，如果发现不匹配，则发送警报。反过来，每个接收器维护一个更新的“接收器状态表”，列出所有连接的发射器的状态。如果任何Ror Tnodes消失（即，它没有通信固定但可编程的周期数），它被GW标记为“不存在”，GW开始从头开始重建网络。
根据TDMA方法的要求，已经实现了一个同步协议来将时间的常识分配给所有节点。此外，时间信息必须传播到变送器节点，从而允许根据灭菌器验证过程的要求，为每个温度测量添加精确的时间戳。参考时钟源是GW，它在RS485通信周期的开始发送广播消息“GWSync”（参见图2a）。
每个接收器记录“GWSync”包的到达时间，并估计与接收器认为应该发生通信的理想时间的差；因此，估计相对于控制器的时间失准。本地时钟可以重新调整与时间同步误差在几十微秒的顺序。
由于请求/响应机制，所有消息都被隐式地确认。为了检查消息的完整性，还考虑了其他对策。例如，使用递增序列号跟踪当前通信周期，并且针对每个分组计算纵向冗余校验（LRC）。
图2(a） 直流网络形成过程中的GW Rtransactions交互图–RS485–形成（网络在第一个i节点响应后实际启动）
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