CZ27556U1

CZ27556U1 - Sensor network with evaluation of information trustworthiness

Info

Publication number: CZ27556U1
Application number: CZ2014-30104U
Authority: CZ
Inventors: mĂd Radislav Ĺ; VladimĂr Horyna
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Elektrotechnická
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2014-11-27

Description

Technické řešení se týká systému pro snímání fyzikálních veličin pomocí jednotlivých uzlů senzorové sítě. Uzel senzorové sítě tvoří vlastní senzorový prvek snímající fyzikální veličinu, řídicí a výpočetní blok představovaný obvykle jednočipovým mikropočítačem a blok komunikačního rozhraní pro přenos dat mezi uzly senzorové sítě.The technical solution relates to a system for sensing physical quantities by means of individual nodes of the sensor network. A sensor network node consists of a physical element sensing element itself, a control and computing block, typically a single-chip microcomputer, and a communication interface block for transmitting data between the nodes of the sensor network.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Pro zvýšení odolnosti senzorových systému vůči poruchám a degradacím se používají techniky detekce poruchy vlastního snímacího prvku., zvýšení odolnosti přenosu na komunikační vrstvě senzorové sítě nebo vyhodnocování dat z jednotlivých senzorů či vyhodnocování korelací mezi hodnotami jednotlivých senzorů. Například EP 1111344 Al pro senzory s můstkovým uspořádáním navrhuje vyhodnocovat velikost souhlasného napětí odvozeného z diagonály můstku vůči přednastavené hodnotě. Známá řešení v oblasti vyhodnocování dat využívají aritmetického průměru údajů z více senzorů, viz například US 7555411, korelace údajů z více senzorů jak uvádí US 2003097230, nebo výpočtu vzdálenosti parametrů signálů, což zahrnuje US 6782348. Nevýhodou těchto řešení je nutnost přenosu velkého množství dat mezi jednotlivými uzly senzorové sítě případně velké nároky na výpočetní výkon, které omezují využití v bezdrátových senzorových sítích. Další nevýhodou je omezená vypovídací schopnost vyhodnocení dat, obvykle vedoucího k binárnímu výsledku „v pořádku nebo porucha“, která nedovoluje využít informaci ze senzorů se sníženou věrohodností výsledku, například vlivem krátkodobého elektromagnetického rušení.In order to increase the resistance of sensor systems to disturbances and degradation, techniques of fault detection of the actual sensor element are used, increase of resistance of transmission on the communication layer of the sensor network or evaluation of data from individual sensors or evaluation of correlations between values of individual sensors. For example, EP 1111344 A1 for bridge arrangement sensors proposes to evaluate the magnitude of the common voltage derived from the bridge diagonal against a preset value. Known data evaluation solutions utilize the arithmetic mean of multi-sensor data, see, for example, US 7555411, multi-sensor data correlation as disclosed in US 2003097230, or the calculation of signal parameter distances, including US 6782348. individual nodes of the sensor network eventually high demands on computing power, which limit the use in wireless sensor networks. Another disadvantage is the limited predicative ability of data evaluation, usually leading to a binary result “OK or Failure”, which does not allow the use of information from sensors with reduced plausibility, for example due to short-term electromagnetic interference.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky odstraňuje senzorová síť s vyhodnocováním věrohodnosti informace sestávající z jednotlivých uzlů obsahujících senzor propojený přes řídicí a výpočetní blok s prvním vstupem bloku komunikačního rozhraní pro přenos dat mezi uzly senzorové sítě podle předkládaného řešení. Podstatou nového řešení je, že v každém jejím uzlu je výstup senzoru zároveň propojen se vstupem paměti krátkodobé historie, jejíž výstup je spojen s druhým vstupem řídicího a výpočetního bloku. Na třetí vstup řídicího a výpočetního bloku je připojen výstup paměti dat věrohodnost ovlivňujících veličin. Na jehož čtvrtý vstup výpočetního bloku je připojen výstup paměti dat získaných z okolních uzlů, jejíž vstup je připojen na výstup bloku komunikačního rozhraní. Komunikační rozhraní všech uzlů jsou navzájem obousměrně propojena.The above-mentioned deficiencies are overcome by a credential evaluation network comprising information comprising individual nodes comprising a sensor interconnected via a control and computing block with a first input of a communication interface block for transmitting data between the nodes of the sensor network according to the present invention. The essence of the new solution is that in each node the sensor output is also connected to the short-term history memory input, the output of which is connected to the second input of the control and calculation block. The third input of the control and calculation block is connected to the output of the data memory of plausibility influencing variables. The fourth input of the calculation block is connected to an output of data memory obtained from neighboring nodes, the input of which is connected to the output of the communication interface block. The communication interfaces of all nodes are mutually interconnected.

Výhodou nového řešení je zvýšení odolnosti senzorové sítě proti různým druhům rušení a degradací díky zmenšení vlivu degradovaných výsledků. Další výhodou je poskytování informace o věrohodnosti dat z jednotlivých uzlů, které lze využít například v nadřazeném systému pro fůzi dat nebo detekci poruch.The advantage of the new solution is to increase the resistance of the sensor network to various types of interference and degradation by reducing the influence of degraded results. Another advantage is the provision of information about the credibility of data from individual nodes, which can be used, for example, in a superior system for data fusion or fault detection.

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Technické řešení je uvedeno blokovým schématem jednoho uzlu senzorové sítě na přiloženém výkrese OBR. 1. OBR. 2 ukazuje příklad propojení tří uzlů části senzorové sítě, kde přenášená data obsahují údaje senzorů a jejich věrohodnost.The technical solution is shown by a block diagram of one sensor network node in the accompanying drawing of FIG. 1. FIG. 2 shows an example of interconnecting three nodes of a part of a sensor network where the transmitted data contains sensor data and their credibility.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Na OBR. 1 je uvedeno blokové schéma jednoho uzlu senzorové sítě. Uzel je tvořen senzorem I snímajícím fyzikální veličinu, jehož výstup je připojen k prvnímu vstupu řídicího a výpočetního bloku 4 a zároveň ke vstupu paměti 6 krátkodobé historie obsahující data krátkodobé historie.In FIG. 1 is a block diagram of one node of a sensor network. The node consists of a physical quantity sensing sensor I, the output of which is connected to the first input of the control and calculation block 4 and to the short-term history memory 6 containing the short-term history data.

Výstup paměti 6 krátkodobé historie je připojen ke druhému vstupu řídicího a výpočetního blokuThe short-term history memory output 6 is connected to the second input of the control and calculation block

CZ 27556 UlCZ 27556 Ul

4. Ke třetímu vstupu řídicího a výpočetního bloku 4 je připojen výstup paměti 3 dat věrohodnost ovlivňujících veličin a k jeho čtvrtému vstupu jsou připojeny výstupy pamětí 2 dat získaných z okolních uzlů. Výstup řídicího a výpočetního bloku 4 obsahující senzorová data a jejich věrohodnost je přenášen obousměrně blokem 5 komunikačního rozhraní a obsahuje data získaná z okolních uzlů sítě. Tyto přidané bloky, tedy paměť 6 krátkodobé historie, paměť 3 dat věrohodnost ovlivňujících veličin a paměť 2 dat získaných z okolních uzlů, umožňují v řídicím a výpočetním bloku 4 provádět určování věrohodnosti dat a pomocí bloku 5 komunikačního rozhraní ji přenášet k ostatním uzlům senzorové sítě, případně poskytovat nadřazenému systému. Na OBR. 2 je uveden příklad propojení tří uzlů Al, A2 a A3 senzorové sítě, kde je vidět obousměrné propojení bloků 5 komunikačního rozhraní jednotlivých uzlů.4. The third input of the control and calculation block 4 is connected with the output of the data store 3 of the likelihood variables and its fourth input is connected with the outputs of the data store 2 of data obtained from the neighboring nodes. The output of the control and calculation block 4 containing the sensor data and their credibility is transmitted bidirectionally by the communication interface block 5 and contains data obtained from the surrounding network nodes. These added blocks, ie the short-term history memory 6, the plausibility data 3, and the memory 2 of the data obtained from the surrounding nodes, allow the control and computation block 4 to perform data plausibility determination and to transmit it to other nodes of the sensor network. or provide it to the parent system. In FIG. 2 shows an example of interconnection of three nodes A1, A2 and A3 of the sensor network, where a two-way interconnection of blocks 5 of the communication interface of the individual nodes can be seen.

Jednotlivé uzly senzorové sítě využívají informace o věrohodnosti dat z jednotlivých senzorů I získanou ze tri zdrojů, a to vyhodnocením časové řady dat ze senzoru 1, z okolních uzlů sítě a z významných veličin dostupných v uzlu senzorové sítě jako je napětí napájecího zdroje a kvalita přenosu dat mezi uzly. Toto umožňuje doplnění běžného uspořádání uzlu senzorové sítě o blok paměti 2 dat získaných z okolních uzlů, o blok paměti 3 dat obsahující věrohodnost ovlivňující veličiny dostupné v uzlu a blok paměti 6 krátkodobé historie obsahující krátkodobou historii dat ze senzoru 1.Each sensor network node utilizes data from individual sources I obtained from three sources by evaluating the time series of data from sensor 1, the surrounding network nodes, and the significant quantities available at the sensor network node, such as power supply voltage and data transfer quality between knots. This makes it possible to complement the conventional arrangement of the sensor network node with a memory block 2 of data obtained from surrounding nodes, a data memory block 3 containing the likelihood influencing quantities available at the node and a short-term history memory block 6 containing the short-term history of sensor 1 data.

Jednotlivé uzly senzorové sítě, například bezdrátové, obsahují vlastní senzor I fyzikální veličiny, jehož jednotlivé výstupní vzorky jsou přiváděny do řídicího a výpočetního bloku 4 a jejichž krátkodobá časová historie je ukládána v krátkodobé paměti 6. Řídicí a výpočetní blok 4 získává aktuální data ze senzoru I, krátkodobou historii dat z paměti 6 krátkodobé historie, data okolních uzlů z paměti 2 dat získaných z okolních uzlů a data věrohodnost ovlivňujících veličin z paměti 3 obsahující věrohodnost ovlivňující veličiny dostupné v uzlu. Po zpracování jsou data odpovídající snímané veličině a věrohodnosti přenášena pomocí bloku 5 komunikačního rozhraní k ostatním uzlům, případně nadřazenému systému.The individual nodes of the sensor network, for example wireless, contain their own physical quantity sensor I, whose individual output samples are fed to control and calculation block 4 and whose short time history is stored in short-term memory 6. Control and calculation block 4 obtains actual data from sensor I , the short-term history data from the short-term memory 6, the surrounding node data from the memory 2, the data obtained from the surrounding nodes, and the plausibility data from the memory 3 containing the plausibility values available in the node. After processing, the data corresponding to the scanned quantity and the plausibility are transmitted via the communication interface block 5 to the other nodes or the master system.

V řídicím a výpočetním bloku 4 je vypočtena věrohodnost senzorových dat s použitím aktuálních senzorových dat a statistického popisu krátkodobé historie dat pomocí odchylky od trendu, změny rozptylu a podobně, a je korigována podle věrohodnost ovlivňujících veličin, zejména síly signálu používaného pro komunikaci, chybovosti komunikace a napětí napájecího zdroje, obvykle baterie. Poté je v řídicím a výpočetním bloku 4 porovnána s věrohodnostmi dat okolních uzlů senzorové sítě uloženými v paměti 2 dat získaných z okolních uzlů a je určena výsledná věrohodnost dat přenášených dále pomocí bloku 5 komunikačního rozhraní. Pomocí komunikačního rozhraní 5 je možné data s příslušnou věrohodností přenášet k dalším uzlům senzorové sítě nebo do nadřazeného monitorovacího nebo diagnostického systému. Jak bylo uvedeno výše, možné uspořádání části senzorové sítě je zobrazeno na OBR. 2. Výpočet věrohodnosti probíhá ve dvou krocích. V prvním kroku je vypočtena věrohodnost na základě informací ze senzoru I, paměti 6 krátkodobé historie a věrohodnost ovlivňujících veličin z paměti 3 dat obsahující věrohodnost ovlivňující veličiny dostupné v uzlu. Tato informace je přenesena k ostatním uzlům senzorové sítě. Pak je výpočet zopakován s využitím informace senzoru i, paměti 3 dat obsahující věrohodnost ovlivňující veličiny dostupné v uzlu, paměti 6 krátkodobé historie, a přijaté informace z okolních uzlů uložené v paměti 2 dat získaných z těchto okolních uzlů.In control and computation block 4, the plausibility of sensor data is calculated using current sensor data and a statistical description of the short-term data history using trend deviation, variance variation, and the like, and corrected for plausibility influencing variables, especially signal strength used for communication, the voltage of the power supply, usually the battery. Then, in control and computation block 4, it is compared with the plausibility of the surrounding nodes of the sensor network stored in the memory 2 of the data obtained from the neighboring nodes and the resulting plausibility of the data transmitted further by the communication interface block 5 is determined. By means of the communication interface 5, the data can be transmitted with appropriate reliability to other nodes of the sensor network or to a superior monitoring or diagnostic system. As mentioned above, a possible arrangement of part of the sensor network is shown in FIG. 2. Assurance is calculated in two steps. In the first step, the likelihood is calculated based on the information from the sensor I, the short-term history memory 6 and the likelihood of the influencing variables from the data memory 3 containing the likelihood of the influencing variables available at the node. This information is transmitted to other nodes of the sensor network. Then, the calculation is repeated using the sensor information 1, the data store 3 containing the likelihood variables available in the node, the short term history store 6, and the received information from the surrounding nodes stored in the data store 2 obtained from these surrounding nodes.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Senzorovou síť s vyhodnocováním věrohodnosti informace lze využít při monitorování a diagnostice rozsáhlých strojních zařízení a konstrukcí, kdy je nutné provádět sběr dat ze senzorů fyzikálních veličin v neideálním prostředí, ve kterém dochází k různým druhům rušení.The sensor network with information plausibility evaluation can be used for monitoring and diagnostics of large machinery and constructions, where it is necessary to collect data from sensors of physical quantities in non-ideal environment in which various types of interference occur.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

A sensor network with information plausibility evaluation consisting of individual nodes comprising a sensor (1) connected via a control and computing block (4) to the first input of a communication interface block (5), characterized in that each node has an output

5 of the sensor (1) is also connected to the memory input (6) of short-term history, the output of which is connected to the second input of the control and computing block (4), the third input of which is the output of the memory (3) an input is connected to an output of a memory (2) of data obtained from neighboring nodes, the input of which is connected to the output of a communication interface block (5) which is bi-directionally interconnected with communication interface blocks (5) of other nodes.