物联网毕业设计

编号210803222108032223 南京航空航天大学金城学院

毕业设计

题目物联网中的故障诊断基础问题研

究

学生姓名王贺

学号2108032223 系部自动化系

专业自动化

班级21080322 指导教师陈复扬副教授

二〇一二年五月

南京航空航天大学金城学院

本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：物联网中的故障诊断基础问题研究）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：2012年 5 月15 日

（学号）：2108032223

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物联网中的故障诊断基础问题研究

Content of the networking fault diagnosis based research

【摘要】

近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注。本文介绍了物联网技术的相关知识。本论文主要分为四大部分：首先给出物联网在国外和国内的不同概念，让大家从一些概念上了解什么是物联网；然后给出物联网是在什么样的背景下产生的，具有怎么样的特征；再次列出物联网当今的主要技术及其技术架构；最后分析物联网的应用和未来的发展。

关键词：物联网概念、物联网产生背景、物联网的主要技术

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Abstract

Internet of Things technology in recent years has been widespread concern。This article describes the Internet of Things technology knowledge. This paper is mainly divided into four parts : Firstly, the Internet of Things in the different concepts of the foreign and domestic，we can know some conceptual understanding of what the Internet of Things. Then gives the Internet of Things is what kind of background, how the characteristics of it. Third ,List of Things today's technology and its technical architecture again. Finally, the application and future development of the Internet of Things

Key Words : The concept of Internet of Things、Internet of Things Background、The main technology of Internet of Things

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目录

摘要 (1)

Abstract (2)

第一章物联网简介和概念

1.1物联网简介 (5)

1.2物联网概念 (6)

第二章物联网产生背景和特征

2.1产生背景 (7)

2.2特征 (8)

第三章物联网主要技术及技术架构

3.1主要技术 (10)

3.2技术架构 (11)

第四章物联网中的故障诊断技术

4.1 故障诊断技术的概念 (13)

4.2传感器网络与检测技术 (13)

4.3故障诊断技术的诊断方法 (15)

4.4 故障诊断的意义 (18)

第五章物联网应用及发展

5.1应用领域 (20)

5.2技术架构 (20)

5.3未来发展 (21)

参考文献 (26)

致谢 (27)

附录 (28)

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第一章物联网简介和概念

1.1物联网简介

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网的核心技术是通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网将把新一代IT 技术充分应用在各行业中，如能源、交通、建筑、家庭、市政系统等，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实施的管理和控制，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。物联网被视为互联网的应用扩展，应用创新是物联网的发的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。英文名：Internet of Things（IOT），也称为Web of Things。

毕业设计（论文）报告纸1.2 物联网概念

物联网的概念是在1999年10月由美国麻省理工学院（MIT）的教授率先提出来的。从1997年开始，国际电信联盟（ITU）每年出版一份世界互联网发展的年度报告。2005年11月27日，在突尼斯举行的信息社会峰会（WSIS）上，ITU发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出来物联网的概念。这份长达130页的报告，详细叙述了迅速发展壮大的物联网技术对全世界的企业和个体产生的史无前例的影响，它介绍了涌现出的关键性技术、市场发展机遇、政策含义以及意大利、日本、韩国等国家的成功案例等。

物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。可以说，物联网就是“物物相连的互联网”。一方面，物联网的基础和核心仍然是互联网，物联网是在互联网的基础上延伸和扩展的网络。互联网最基本的功能是人与人之间的信息共享和信息交互，但在物联网中，强调的是物与物、人与物之间的信息交互与共享。另一方面，进行信息交换和通信的用户端可以发展为任何物品与物品之间。不仅是钥匙、手机这类小物品，即使是汽车、大厦这类大物品，只要将射频标签芯片或者传感器微型芯片嵌入其中，就能够通过互联网实现物与物之间的信息交互了。在这样一个无所不在的“物联网”中，所有的物品包括人在任何时间和任何地点都

能很方便地实现信息交互。

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第二章物联网的产生背景和特征

2.1 产生背景

1980 年前后以个人计算机的普及为标志，而1995 年前后则发生了互联网革命。每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。20 世纪90年代，美国克林顿政府计划用20年时间,耗资2000亿-4000亿美元,建设美国国家信息基础结构，创造了巨大的经济和社会效益。

而今天，“智慧地球”战略被不少美国人认为与当年的“信息高速公路”有许多相似之处，同样被他们认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。该战略能否掀起如当年互联网革命一样的科技和经济浪潮，不仅为美国关注，更为世界所关注。

2009 年8 月温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时，对于物联网应用也提出了一些看法和要求。自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。

物联网的概念与其说是一个外来概念，不如说它已经是一个“中国制造”的概念，它的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999 年Ashton 教授和2005 年ITU 报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。

截至2010 年，发改委、工信部等部委正在会同有关部门，在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展。

毕业设计（论文）报告纸国内外形势背景:每一次大危机都会催生一些新技术，而新技术是使经济特别是工业走出危机的巨大推动力。2008 年，全球金融危机爆发后，各国经济发展速度迅速下降，尤其是美国经济遭受了严重打击。2009 年物联网更是引起了全球的广泛关注。

技术背景:除国内外形势的发展需求外，技术的逐步成熟，也催生着物联网的快速发展。随着互联网技术的进一步广泛应用，国际和国内多家研究机构，在物联网技术方面有了一定的技术储备，在物流、零售、工业自动化控制等方面已经有了一些成功的应用案例。在这样的背景下，2009 年物联网得到了快速发展，中国业内人士称之为“感动中国” 的“发展源年”。

回顾物联网的过去，展望未来，物联网从诞生到成熟将经历一下四个阶段：

●概念形成阶段（2000 年前后）

●技术形成阶段（2010 年前后）

●试验验证阶段（2020 年前后）

●应用拓展阶段（2020 年之后）

2.2 物联网特征

和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。

首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

毕业设计（论文）报告纸还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

物联网有三大特性：全面感知、可靠传输、智能处理。全面感知也就是利用RFID、传感器、二维码，甚至其他的各种机器，能够随时采集物体动态。感知的信息是需要传出的，通过网络将感知的各种信息进行实时传送，现在无处不在的无线网络已经覆盖了各个地方，在这种情况下，感知信息的传送变得非常现实。智能处理是指利用云计算等技术及时对海量信息进行处理，真正达到了人与人的沟通和物与物的流通。

第三章物联网主要技术及技术架构

3.1 主要技术

毕业设计（论文）报告纸简单讲，物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制。国际电信联盟（ITU）将射频识别（RFID）技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术列为物联网关键技术。其中，RFID 又被公认为物联网的构建基础和核心。中科院软件研究所的专家认为，物联网的关键技术包括物体标识、体系架构、通信和网络、安全和隐私、服务发现和搜索、软硬件、能量获取和存储、设备微型小型化和标准等内容。在物联网应用中有三项关键技术。

1、传感器技术，这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。

2、RFID 标签也是一种传感器技术，RFID 技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID 在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。

3、政府应该加大对产业的投入，这个投入可以不是资金，而是给企业更多的政策，特别是在操作系统、开发工具、IC 设计等产业链中高端领域上从政策到资金都要加大投入。

4、减少盲目引进项目，在嵌入式与物联网的发展中，核心技术坚持鼓励国产化，从资金上、税收上加大力度向自主研发产品倾斜。杜绝盲目引进产业链的中高端技术，特别是不能出现像其他行业一样，重复引进同一个外国品牌多条生产线的状况。

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3.2 物联网技术架构

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS 等感知终端。感知层用于实现数据采集与感知，主要用于物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术实现“物”的识别通信协议的研究机构主要有加利福尼亚大学伯克利分校等。西安优势为电子有限责任公司研发的“唐芯一号”是国内自主研发的首片短距离物联网通信芯片，Perpetuum 公司对无线节点的自主供电已经研发出通过采集振动能供电的产品，而Powermat 公司也推出了一种无线充电平台。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集

毕业设计（论文）报告纸信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离有线和无线通信技术等。

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，实现数据的传输与计算。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。网络层也包括信息存储查询、网络管理等功能。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。应用层即应用网络，即输入/ 输出控制终端，可基于现有的手机、PC 等终端进行。

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。

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第四章物联网中的故障诊断技术

4.1故障诊断技术的概念及定义

机器设备是工业生产的物质手段是生产力的重要组成部分。机器设备能否安全、正常运行直接关系到一个企业乃至部门、国家的经济发展。对于机械设备故障的定义目前尚未有统一的说法各种文献上的定义也都不尽相同。按我国电子工业部部标——的规定在一般情况下故障是指：设备系统在规定条件下不能完成规定的功能；设备系统在规定条件下一个或几个性能参数不能保持在规定的上下限值之间；设备系统在规定的应力范围内工作时导致设备系统不能完成其功能的机械零件结构件或元器件的破裂断裂卡死等损坏状态。美国政府《工程项目管理人员测试性与诊断性指南》-.—-0 把故障定义为“造成装置、组件或元件不能按规定方式工作的一种物理状态”。以上对设备故障的定义是从不同角度出发的但也有其共同观点即当设备出现故障时其性能达不到规定要求因而不能进行正常工作。这里定义设备的故障为：设备在运行过程中出现异常不能达到预定的性能要求或者表征其工作性能的参数超过某一规定界限有可能使设备部分或全部丧失功能的现象。有时也应用特定词“失效”123 如设备因腐蚀而失效也属故障范畴。在一般情况下两者是同义词。但严格地说失效与故障是有区别的一般地所有失效都属故障但不是所有的故障都是失效。

4.2传感器网络与检测技术

传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科技技术的不断发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器→智能传感器→嵌入式Web 传感器的内涵不断丰富的发展过程。无线传感器网络是集分布式信息

毕业设计（论文）报告纸采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统，以其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视，是关系国民经济发展和国家安全的重要技术。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感器网络，来最终感知整个物质世界的。目前，面向物联网的传感器网络技术研究包括以下一些方面：

1) 先进测试技术及网络化测控综合传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理、传送。研究分布式测量技术与测量算法，应对日益提高的测试和测量需求。

2) 智能化传感器网络节点研究传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台。感知物质世界及其变化过程中，需要检测的对象很多，如温度、压力、湿度、应变等，微型化、低功耗对于传感器网络的应用意义重大,结合新材料的研究，设计符合未来要求的微型传感器；其次，需要研究智能传感器网络节点的设计理论，使之可识别和配接多种敏感元件，并适用于主被动各种检测方法；第三，各节点必须具备足够的抗干扰能力、适应恶劣环境的能力，并能够适合应用场合、尺寸的要求；第四，研究利用传感器网络节点具有的局域信号处理功能，在传感器节点附近局部完成很多信号信息处理工作，将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，改变为一种并行的分布式信息处理系统。

3) 传感器网络组织结构及底层协议研究网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，其网络

毕业设计（论文）报告纸体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。有学者提出无线传感器网络体系结构可由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技3 部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP 协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。

4)对传感器网络自身的检测与控制由于传感器网络是整个物联网的底层和信息来源，网络自身的完整性、完好性和效率等参数性能至关重要。对传感器网络的运行状态及信号传输通畅性进行监测，研究开发硬件节点和设备的诊断技术，实现对网络的控制。

5)传感器网络的安全传感器网络除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者物理操纵，并获取存储在传感节点中的所有信息，从而控制部分网络的威胁。必须通过其它的技术方案来提高传感器网络的安全性能。如在通信前进行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商方案，使得即使有一小部分节点被操后，攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其它节点的密钥信息；对传输信息加密解决窃听问题；保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问，保证网络保证私有性问题；采用一些跳频和扩频技术减轻网络堵塞问题。

4.3故障诊断技术的诊断方法

l.性能参数分析法

又称性能监控，是故障诊断的核心技术。它是利用传感器或仪器、仪表测定设备的各项性能参数(如温度、压力、转速等)，经数据处理、比较和分析后判断其运转状态和趋势。

毕业设计（论文）报告纸性能参数分析法诊断故障，早在蒸汽机时代就已采用，用"听、摸、嗅、看"来了解机器的运转参数，进而通过人脑快速思维分析判断机器的运转状况和运转趋势。至今，这种方法在现代仍被沿用，例如，用手触摸柴油机高压油管，依其脉动状况判断高压油泵的工作状况。

应用计算机自动监测和诊断故障的性能监控系统可以对机器、零部件的工作过程进行监控。例如PAC监控系统可对动力装置中发动机运转、废气涡轮增压器运行、活塞环工作状态、气缸的润滑和磨损、气缸热负荷、燃烧和喷油系统等进行监控，DMC监测系统可对缸内燃烧和喷射过程进行监控。

2.振动监测

机械在运转中的振动是故障诊断的重要信息，振动信号的变化反映着机器内部状态的变化。因此，采集振动信号，经过信号处理、状态识别和趋势分析，就可诊断故障。所以振动分析是一种应用广泛的重要诊断技术。

振动监测技术包括以下内容

（1）振动信号的测取依振动频率不同配置相应的传感器，并安装在合适的测是点处采集振动信号。对应于低、中、高频振动信号分别选用位移、速度、加速度传感器，一般加速度传感器应用最为普遍。

（2）信号处理利用信号分析仪将采集的振动信号进行处理，除掉原振动波形中无意义而又有害的波，并加工成便于精密分析的信号，进而提取机器故障的振动信号。信号处理是振动监测技术的核心。

毕业设计（论文）报告纸（3）状态识别根据提取的放障信息频谱，参考有关故障的振动频谱对机器状态作出判断，并对故障原因进行分析。

（4）诊断决策依故障诊断的结果确定防止或消除故障的对策，预测机器状态变化的趋向等。

振动监测所用的振动信号测试分析仪种类繁多，分为简易型、半精密型和精密型，并且有通用与专用之分。精密型测试仪器测量精度高，抗干扰能力强，现场采集信号和进行分析，但不能立即获得测试结果，操作复杂，价格较贵。精密测试仪包括传感器放大器、记录仪和信号分析仪。

通过这些故障的振动频谱图与正常图谱的分析、比较进行故随诊断和原因分析等。

3.噪声监测

机械噪声是机器运转时各种声音的汇合，机械的噪声是其运转状态的外部表现形式，反映着船机设计、制造、安装和修理的质量及其维护管理的质量。采集噪声信号进行信号处理、状态识别，实现船机故障诊断和预测。

噪声听诊器是简易噪声检测仪，它通过测量噪声变化来检查机器状态。近年来随着高新技术的发展，大谩测试分析仪器的出现有力地推动噪声监测技术的发展。如采用高保真磁带录音机和信号分析仪采集噪声信号和进行信号的分析处理等。此外用于振动测试的仪器和分析方法也可用于噪声监测。

4.红外监控

毕业设计（论文）报告纸设备在运转过程中，温度是最基本的工作性能参数之一，零部件的温度变化直接与其工况和故障有关，所以进行温度监测可及时判断设备工况以保证安全可靠运转。

温度监测方法分为采用温度计的接触式测量和通过接收热辐射能量的非接触式测量。红外监测就是温度监测中的非接触式测温技术之一。

红外检测技术源于军事领域，现已应用到工业生产领域，不仅可以测温，而且可进行故障诊断。例如运行中车辆车轴箱的在线监测。火车通过布置于铁轨两侧的红外线轴温探测仪时，测温仪自动起动，依次测量通过车辆轴箱温度，依各轴箱温度变化情况诊断和预测故障。大型烟囱、反应塔和加热炉炉门等无法接近的设备均可采用红外监测技术。

随着计算机技术的高速发展与普及，计算机正应用于各种故障诊断技术中，对采集的信息进行分析处理、比较、诊断和报警、存储、显示等，从而促进了故障诊断技术的发展，出现了各类计算机监测和诊断系统。

4.4 故障诊断的意义

物联网是国家“十二五”计划重点扶持的研究领域,物联网中的故障诊断技术属于前沿研究问题.设备故障诊断的任务及时加以处理并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和基础数据。根据状态监测所获得的信息结合已知的结构特性和参数以及环境条件结合该设备的运行历史包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断确定故障的性质、类别、程度、原因、部位指出故