基于信息年龄的工业无线传感器网络混合数据调度方法

在工业无线传感器网络(IWSN)中,实时交付工业现场的周期性控制/传感数据流与非周期性事件数据流,是保障生产安全高效运行的关键。信息年龄(AoI)作为一种新兴的数据新鲜度衡量指标,能够从目标节点角度全面地度量网络数据交付的实时性。针对周期性和非周期性数据混合的工业无线传感器网络,该文在引入网络数据整体新鲜度指标的同时,考虑到周期性数据新鲜度在超过阈值后可能会对工业生产造成负面影响,建立了最小化系统平均AoI和周期性数据AoI逾期概率的联合优化模型,并将优化问题表述为马尔可夫决策过程(MDP)进行求解。由于传统基于相对值迭代的最优求解方法在大规模网络中因为维度灾难难以实施,因此采用深度强化学习(DRL)降低优化问题的状态空间维度,并改进决策探索机制以加快学习速度,提出了基于优化决策探索的深度强化学习(DRL-ODE)调度方法。仿真结果表明,所提方法能够提高网络数据交付的实时性,并有效减少周期性数据的AoI逾期概率。

一种基于监督机制的工业物联网安全数据融合方法

工业物联网中节点资源受限,数据融合是减少能耗最重要的技术之一。为了保障工业物联网中数据在融合过程的安全性,提出一种基于监督机制的工业物联网安全数据融合方法。首先将采集的数据映射成模式码后进行融合和传输,保证了数据的机密性;其次通过监督节点对融合节点进行监督来保证融合信息的安全性;最后通过博弈论证明了监督报文上传方式的安全性和合理性。安全分析和性能仿真表明在保证安全属性的前提下,降低了通信开销和存储开销。并在已有的WIA-PA协议栈的基础上搭建工业物联网安全平台,实现安全数据融合功能。

工业物联网确定性调度中TDMA紧时隙时间精度边界可靠性分析

针对如何保证物联网确定性调度中时分多址（TDMA）紧时隙时间精度边界,首先建立不完全观测的绝对时钟同步状态空间模型;根据间歇观测方程推导修正的绝对时钟卡尔曼滤波器,得到了随机误差协方差迭代式;然后将误差协方差迭代式建模为修正的黎卡提微分方程,研究稳态误差协方差的统计特性;利用凸优化理论和线性矩阵不等式（LMI）工具求解时钟状态估计的临界包到达率和估计误差协方差的统计收敛边界。面向网络参数配置和TDMA时隙的紧边界应用需求,定量分析存在观测值丢失的时钟同步误差与精度边界,建立时钟同步精度边界与无线网络的权衡关系,并提出存在观测值丢失时保时带大小设计方法。

基于ISA100.11a标准的工业物联网开发平台的设计与实现

工业物联网技术是未来几年工业自动化产品新的增长点。作者所在实验室作为Voting Member和ISA WCI工作组成员参加ISA100.11a标准的制定,研发了基于ISA100.11a的工业物联网通信协议栈软件、网络设备及终端设备,研制的ISA100.11a工业物联网开发平台具有完善的硬件、软件产品及技术支持,核心技术已经形成专利池,可广泛应用于智能工业、环境监测、智能电网等应用系统的开发,并已经在中国四联集团、韩国汉阳大学等单位得到应用。

基于半马尔科夫链的双模单待终端通信控制方法

针对窄带物联网(NB-IoT)和低功耗蓝牙(BLE)双模单待终端的低功耗、BLE连接时延和NB-IoT下行业务低响应时延的需求,提出一种基于半马尔科夫链的终端通信控制方法以提高终端综合性能。结合NB-IoT的扩展型非连续接收(eDRX)模式和省电模式(PSM),其中PSM下BLE独占射频,构建终端通信状态转换的半马尔科夫链模型,获取功耗节约率和NB-IoT下行平均时延的计算模型;基于BLE连接和NB-IoT下行业务响应的时延要求,结合NB-IoT实时业务流量,动态计算eDRX的关键参数,再通过优化BLE广播时长以获得终端最优综合性能。仿真与实测结果表明,所提方法在低功耗需求场景下的功耗节约率高于0.96,在低时延需求场景下的NB-IoT下行业务平均响应时延低于10 s,满足通信时延需求的同时降低了终端通信功耗。

压电陶瓷作动器的卡尔曼滤波输出反馈预测控制

为了抑制压电陶瓷的迟滞、非线性特性对压电微定位平台精度的影响,建立反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型:利用非对称Bouc-Wen模型来表示静态迟滞非线性和利用动态线性模型表征信号频率的影响。针对迟滞补偿器不能完全的进行补偿,并且存在噪音干扰实验设备,采用基于卡尔曼滤波的预测控制,提高压电微定位平台的控制精度。预测控制用来减小逆补偿误差以及建模误差等模型不确定性的影响,卡尔曼滤波用来获得系统的状态估计值。实验结果显示,该控制器在正弦波信号下的相对跟踪误差小于0.68%,三角波信号下相对跟踪误差小于0.70%。在迟滞补偿的基础上,采用卡尔曼滤波的预测控制,该方法可以有效地完成对微定位平台的高精度跟踪。

矿物绝缘油中噻吩类非活性硫诱发绕组腐蚀的反应机理

矿物绝缘油中腐蚀活性较强的硫化物已被证实会诱发油浸式电力设备绝缘故障,在绝缘油精炼过程中会被去除。部分非活性硫因其高效抗氧化性保留于矿物绝缘油中以提高油品的氧化安定性。然而,非活性硫在油浸式电力设备运行条件下的活化问题及其对绝缘性能造成的影响并未得到关注。文中针对矿物绝缘油中的典型非活性硫(噻吩类硫化物),聚焦油纸绝缘中非活性硫诱发绕组腐蚀的反应机理,采用材料物相分析方法探究噻吩类硫化物的热裂解产物,结合热裂解动力学分析方法,分析噻吩类硫化物在不同升温速率下的活化能变化规律,并开展噻吩类硫化物在油纸绝缘热老化作用下的试验研究。热裂解气相色谱、质谱以及热裂解傅里叶红外光谱结果表明,噻吩类硫化物(噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩)在热裂解过程中的主要活化产物为具有极强腐蚀性与挥发性的H 2 S。不同热裂解升温速率下,噻吩类硫化物的失重率规律基本一致,其中噻吩最容易发生热裂解,其次是苯并噻吩,最后为二苯并噻吩。在油纸绝缘低温过热条件下,由于体系能量的不断积累,会导致噻吩类硫化物发生活化进而生成低分子强腐蚀性硫化物,加剧油品腐蚀性,最终导致油纸绝缘发生硫腐蚀。

面向WIA-PA工业无线传感器网络的确定性调度算法

WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是我国自主制定的工业无线传感器网络标准,确定性调度技术是其中一项关键技术.但目前已有的确定性调度算法主要集中在通用传感器网络或Wireless HART,ISA100.11a等遵循国外标准的工业无线传感器网络中,未能针对WIA-PA网络进行优化设计.鉴于此,本文提出了一种适用于WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度算法,能够获取调度解的最大成功率;并以此为基础,进一步提出了一种基于最小时间裕度优先的时分多址调度算法(Least Slack First on Time Division Multiple Access,LSF-TDMA).仿真实验结果表明,所提出的LSF-TDMA算法能够满足WIA-PA网络端到端数据传输的确定性需求,在调度解获取成功率接近于最优的同时,有效降低了算法复杂度.

不可靠WSN时钟同步网络化输出反馈MPC量化分析

在Cyber-Physical环境下,时钟同步双向信息交换过程中,包含时钟信息的数据包丢失将对时钟同步性能产生影响。讨论了现代控制理论状态空间模型的输出反馈Tubes-MPC时钟同步方法。由分离原理,设计了本地化的状态估计器与控制器,实现了输出反馈Tubes-MPC时钟同步的指数稳定。以不完全量测下的观测模型为基础,定量分析了统计意义下的同步误差方差上界与下界,并采用MPC中Set-Theory-in-Control方法,将完全量测下的干扰误差集合运算于由丢包所引入的附加的估计误差集合,建立了集合约束下的模型预测优化模型。已构建的统一框架下的输出反馈Tubes-MPC时钟同步系统化方法,综合考量了控制理论在线计算复杂度与网络控制观点应用的可行性,对无线网络的不可靠性、网络规模、收敛性能具有鲁棒性,进一步容易扩展为网络级绝对时钟状态空间模型。

基于优先级分类的工业无线网络确定性调度算法

确定性调度技术对于工业无线网络数据的实时性和确定性传输有着重要意义.本文针对工业无线网络数据流本身存在优先级分类属性的情况,基于多信道时分多址接入(TDMA)技术,在分析高优先级数据流对低优先级数据流造成的链路冲突延时和信道竞争延时基础上,对网络进行调度预处理,进而排除参数不合理的网络,并向网络管理者反馈.对于通过预处理的网络,调度算法优先为高优先级数据流的链路分配时隙和信道资源,而对属于同一类优先级的数据流,提出一种基于比例冲突空余时间的调度方案,在满足可调度性条件的前提下,根据各链路的比例冲突空余时间值从小到大依次分配时隙和信道资源.实验结果表明,所提出的调度算法可以取得较高的网络调度成功率.

两信道物联网协议分析仪的设计与实现

在研究了物联网协议和无线射频技术的基础上,设计并实现了两信道物联网协议分析仪。该分析仪由数据采集器和上位机协议分析软件组成,采用空中捕获的无线射频技术,能实时采集2.4 GHz ISM频段上任意两个信道的无线数据报文;并提出了一种基于特征位的快速匹配算法,应用于协议解码模块,从而快速提高协议分析仪的分析速率。本协议分析仪实现了协议分析、网络监控、故障诊断等功能,可面向ISA100.11a、ZigBee、WIA-PA、6LoWPAN、IEEE802.15.4E五套物联网协议。实验结果表明,该分析仪单帧处理时间小于10 s,且10 m监控范围内丢包率小于1%,是一款简单、实时和有效的网络查错、测试以及性能维护工具。

考虑链路重传的工业无线网络确定性调度算法

作为工业网络的关键技术,确定性调度通过合理安排网络传输资源,满足工业数据在规定时间内到达目标设备的实时性要求.工业网络往往部署在环境恶劣、电磁情况复杂的工业现场,与有线网络相比,工业无线网络还面临着严重的丢包问题.考虑到重传是克服链路丢包的简便高效方法,本文提出了支持持续重传和区间重传两种策略的确定性调度算法.基于链路时槽松弛度和动态优先级,调度算法在每个时槽按照调度规则为重传链路配置通信资源,缓解丢包对数据传输的影响,并围绕对应重传策略进行相应的时槽、频点优化分配,保障数据端到端按时到达.仿真结果表明,所提调度算法在满足传输确定性的前提下,有效提升了数据传输的可靠性.

基于图卷积神经网络的软件定义电力通信网络路由控制策略

传输时延和数据包丢失率是电力通信业务可靠传输重点关注的问题,该文提出一种面向软件定义电力通信网络的最小路径选择度路由控制策略。结合电力通信网络软件定义网络(SDN)集中控制架构的特点,利用图卷积神经网络构建的链路带宽占用率预测模型(LBOP-GCN)分析下一时刻路径带宽占用率。通过三角模算子(TMO)融合路径的传输时延、当前时刻的路径带宽占用率和下一时刻的路径带宽占用率,计算出从源节点到目的节点间不同传输路径的选择度(Q),然后将Q值最小的路径作为SDN控制器下发的流表项。实验结果表明,该文所提出的路由控制策略能有效减小业务传输时延和数据包丢失率。

2.4GHz物联网开发平台的设计与实现

随着信息产业的飞速发展,物联网已成为当前信息领域中研究的热点。本文以C C 2 5 3 0芯片为核心,利用温湿度、红外、瓦斯等传感器并结合实验室自主开发的ISA100.11a协议栈,研制了一种基于2.4GHz频段的物联网开发平台,详细阐述了网关和传感器节点的功能模型、工作原理及具体设计实现方法。目前,该平台已在中国四联集团、韩国汉阳大学等单位得到应用。

433MHz物联网开发平台的设计与开发

物联网是当前信息领域中研究的热点。本文以CC1110芯片为核心,利用温湿度、烟雾、亮度等传感器结合自主开发的WIA-PA协议栈软件,研制了一种基于433MHz频段的物联网开发平台。利用该平台提供的开发套件,可方便地开发智能家居、环境监测等应用系统。目前,重庆伟岸测器利用本平台已成功开发了无线热能表系统。

基于Arduino+Yeelink平台的物联网家居环境监测设计与实现

近年来,家庭环境质量日渐成为人们看重的生活标准之一。本设计采用开源硬件Arduino与Yeelink物联网云平台进行监测系统的搭建。通过DHT11,GP2Y1010AU和MQ-2传感器分别对室内的温度,湿度,PM2.5和烟尘度进行检测,应用Arduino开发板和W5100扩展板对采集的数据进行云平台的上传,并加以显示,解决了人们对于家庭环境质量检测的需求。

面向物联网终端的任务相关性调度策略

对于具有相关性的任务,调度顺序不合理将影响任务的执行时间和实时性。结合物联网终端任务间依赖关系复杂的特点提出了一种利用任务相关性的调度策略。该策略设计了以作业轮询组为主体的任务模型,根据任务时限建立了优先级因子矩阵作为任务调度的凭据,对于周期任务,在每个任务执行完毕后生成,以任务相关性为参数的增量矩阵用以动态修改任务优先级,使前驱任务能优先执行;对于非周期任务采用了构建临时作业轮询组的方式进行抢占调度。测试结果表明,该策略能够有效减少具有相关性的周期任务集执行时间和调度失败次数,缩短非周期任务响应时间。

基于6LoWPAN协议的物联网开发平台的设计

本文主要介绍了基于6LoWPAN的物联网开发平台的设计原理和关键技术。笔者所设计和实现的物联网开发平台从IPv6应用和与3G网络异构集成的角度,实现了端到端的全IP通信。本平台集成了一个嵌入式网关、多种常用传感器节点和6LoWPAN协议栈,具有很好的推广应用价值。

面向物联网两信道多协议分析仪的设计

面向物联网的两信道多协议分析仪是针对多种无线物联网协议开发的数据包分析设备。通过上位机软件的配置,可对2.4GHz 16个信道和433/780MHz频段进行数据包采集,并验证数据包的协议一致性。同时,该协议分析仪还可以作为协议测试中的激励源,对被测设备进行激励,从而对协议本身声明的一些功能进行一致性测试。

基于区间二型T-S模糊模型的网络控制系统的输出反馈预测控制

针对干扰作用下的非线性网络控制系统,给出了带一个自由控制作用的输出反馈预测控制方法.首先,利用区间二型T-S模糊模型描述具有参数不确定性的非线性对象,采用马尔科夫链描述系统中的随机丢包过程,由此建立了丢包网络环境下的非线性网络控制系统的数学模型.然后,通过引入二次有界技术得到了干扰作用下网络控制系统的稳定性描述方法,并在此基础上给出了状态观测器的线性矩阵不等式条件.最后,基于估计状态,通过将无穷时域控制作用参数化为一个自由控制作用加一个线性反馈律得到了输出反馈预测控制方法.论文的特色在于构建了在线更新误差椭圆集合的基本方法,满足了约束条件下输出反馈预测控制保证稳定性的要求.仿真例子验证了所提方法的有效性.