基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法
【专利摘要】本发明是一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法。其特征是采用基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的动态路由选择算法、确认重传机制、大数据包拆分发送算法和日志记录回传算法。本发明能实现数据自动采集、定时监控及管理，且能保障网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮性。
【专利说明】基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极 保护数据自动采集方法。涉及金属材料的一般防蚀、数据的识别和管道系统【技术领域】。 技术背景
[0002] 管道运输是国民经济的五大运输方式之一，能源等物资输送管道通常要穿越漫长 的无人地区，管道信息(如阴极保护电位信息，可用于监控金属运输管道腐蚀状况）的准确 采集对保障管道运输的安全性和可靠性等方面有着非常重要的意义。现有的能源输送管道 的监控和管理仍然以人工为主，数据采集成本巨大，数据管理成本较高，困难较多。因此，建 立强大、智能的自动监控管理体系是最新管道监控系统发展的方向。
[0003] 现实的需求是推动新技术发展的动力，近两年来，迅速发展的无线传感器网络 (WSN:Wireless Sensor Network)极大地扩展了现有监控网络的覆盖范围，为解决现有数 据采集方式提供了新的思路。WSN通常是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器结点 组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处 理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。将无线传感器网络应用到管道运输 的阴极保护数据自动监控管理系统中，可以大大降低数据监控成本，在无持续能源供给的 恶劣环境中实现阴极保护数据自动采集监控，基于此本发明给出了基于无线传感器网络的 阴极保护数据自动采集系统的整体设计方案，包括阴极保护数据自动采集系统的采集器， 硬件通信结点，结点之间的通信协议，以及阴极保护数据自动采集系统上位机管理软件的 设计。
[0004] CN102186258A公开了一种基于线形长距离的无线传感器网络的通信协议方法，但 网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮性都不太理想。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是发明一种基于无线传感器网络的、能实现数据自动采集、定时监 控及管理并能保障网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮 性的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法。
[0006] 为了克服现有管道运输中数据采集、管道监控、数据管理都是以低效率的人工方 式进行的局限，在对管道运输安全管理的需求进行分析以后，本发明开发了一套基于无线 传感器网络的阴极保护数据自动采集方法和系统，该方法所用系统包括阴极保护数据自动 采集系统的采集器、硬件通信结点、结点之间的通信协议以及管理阴极保护数据的上位机 管理软件。
[0007] 本发明所用系统的构成如图1所示，系统在每一条管线布设了一个线性无线传感 器网络，于每条管线的起始位置安置数据接入结点（以下简称Sink结点，如图1所示)，在 管线上需要采集阴极保护数据的位置布设数据采集终端结点（以下简称ED结点，如图1所 示)。在Sink结点处布设管理系统，所以Sink节点是管理系统中单管线无线传感器网络的 管理者，该管理系统有数据库与其有输入、输出连接，并接有低级用户的输出。如此的多个 管线之管理系统输出接有高级用户和数据库的管理系统。
[0008] 其中：
[0009] 所述阴极保护数据自动采集系统的数据采集器是一款基于无线传感器网络、工作 在391MHz-464MHz频段、具有3-5公里传输能力的大功率硬件通信结点；本结点以德州仪器 芯片CClllO为基础，采用时分复用工作方式，整个系统主要由太阳能供电模块、射频收发 器CC1110、下行链路(主要包括由射频前端功放、3db电桥组成的平衡功率放大器)、上行链 路(主要包括低噪声放大器）以及射频开关组成，如图2所示；太阳能供电模块接射频收发 器CC1110,射频收发器CClllO中的数据存储器接数据采集器输出，射频收发器CClllO差分 接口接阻抗变换器，阻抗变换器与第一射频开关互有输入和输出连接；第一射频开关输出 接包括由射频前端功放、3db电桥组成的平衡功率放大器的下行链路，下行链路再接第二射 频开关后接收发天线；第二射频开关输出经主要包括低噪声放大器的上行链路接第一射频 开关；其中，在下行链路采用的平衡式放大器，是实现远距离通信所需功率的关键设计； [0010] 所述阴极保护数据自动采集系统的结点之间通信协议是用来实现适用于能源管 道运输环境的无线传感器网络的保障通信；该网络拓扑分布基本为线形(直线或曲线，没有 交叉或重叠)，具有跨度范围长、传感器结点密度低等特点；
[0011] 所述阴极保护数据自动采集系统的上位机的系统用户分为五个级别：管理员级、 总控级、站场级、管线级和保护站级，级别从高到低；该平台包括用户管理模块，结点管理模 块，各级结点拓扑图模块，数据的处理和分析模块，各级数据库的备份和上传模块以及硬件 控制模块；所述的用户管理模块基于该系统的管理特性，设计了五个级别的用户，分别为管 理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，而管理员级的用户能对其他各个级别的用户 进行添加、删除、修改和显示用户信息这几个功能。
[0012] 基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法为：
[0013] 1)协议将网络起始结点设为Sink结点，将其余结点设为ED结点；Sink结点作为 可以直接与数据库进行交互的主结点，其具有较强的处理、控制及存储功能，一方面可以通 过Sink结点向其他ED结点发送控制指令，另一方面可以将由ED结点传送的数据进行汇总 及上传；ED结点作为主要的阴极保护数据的采集结点可以采集管道阴极保护数据并传送 给Sink结点，ED结点的数量可以根据网络的地理长度进行拓展，满足长距离的需求；
[0014] 2)网络中各个结点使用自行设计的满足基于能源管道运输环境特点的无线传感 器网络的"端口号映射法"协议方式，以实现结点之间多跳接力式的通信；"端口号映射法" 协议架构由底层到上层依次为：物理层，射频层，网络层及应用层。网络层通过调用物理层 和射频层封装的功能函数，形成供应用层调用的应用层功能接口函数，应用层通过数据包 中的端口号来调用特定的功能函数，并完成相应功能；
[0015] 3)当无线传感器网络中出现连续N(N〈4)个结点故障无法通信时，与故障结点相 邻的正常结点可绕过故障结点正常通信；由于设计所描述的网络覆盖距离较长，信道环境 复杂，干扰影响大，基于此设计了基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的跳频算 法，以提供在干扰环境中切换信道的保障通信；当周围环境中干扰严重或人为干预跳频时， Sink结点将以广播形式发送时钟同步信息及跳频指令，ED结点收到该指令时完成与Sink 结点的时钟同步并根据已有的调频序列表进行跳频；
[0016] 4)为了保障网络协议的灵活性和兼容性，以及网络协议功能的完整性、稳定性和 健壮性，本发明的特征是自行设计了基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的动态 路由选择算法、确认重传机制、大数据包拆分发送算法和日志记录回传算法；
[0017] ?动态路由选择算法：为了消除由于增减结点而造成的无线路由功能紊乱而设计 的算法，每次启动结点可以刷新现有的路由表，从而据其选择最优的无线传输路径进行数 据传输；
[0018] ?确认重传机制：是一种为了保证传输成功率而设计的算法，当接收方收到发送 方发送的数据包时需要向其发送回传确认信息（ACK)，如果发送方没有收到ACK则认为发 送失败，一段时间后自动重传，直到接收到ACK信息为止；
[0019] ?大数据包拆分发送算法：是为了避免大段数据同时丢失而设计的算法，将其拆 分为若干小数据包进行传送，每个小数据包中标有其在大数据包中的位置以及总分包数， 接收方将接收到的小数据包根据其位置信息重新拼装为原始大数据包；
[0020] ?日志记录回传算法：是为了及时记录结点工作状态而设计的算法，各结点会将 状态信息以最小数据量进行记录并存储，当Sink结点发送日志请求指令时将其发回；
[0021] 本发明能实现数据自动采集、定时监控及管理。提高了管道运输管理效率，保证了 管道运输的安全性。并能保障网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳 定性和健壮性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集系统的整体结构图
[0023] 图2采集器硬件通信结点结构图
[0024] 图3无线传感器网络拓扑结构图
[0025] 图4上位机管理软件内部结构图
【具体实施方式】
[0026] 为了更好的理解本发明的上述技术方案，下面结合附图进行进一步的详细描述。
[0027] 实施例.本例主要用来实现基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集系统 的数据自动采集、定时监控和管理等功能，以保障管道运输安全运行，其整体结构设计如图 1所示，每一条管线布设一个线性无线传感器网络，在Sink结点处布设上位机管理软件。管 理人员可通过上位机管理软件向无线传感器网络的Sink结点发出网络控制指令，由Sink 结点将控制指令发送至无线传感器网络中，各结点接收指令并执行，最终将执行结果进行 打包处理，通过多跳接力方式将获取数据返回给Sink结点，并由Sink结点通过硬件控制模 块的串口或USB接口将数据上传至上位机管理软件进行管理。如图1所示，本发明根据具 体情况对使用上位机管理软件的用户设定不同权限，不同的用户登陆管理系统只能管理自 己权限以内的管道数据。设计的各级数据库备份和上传模块在不连网时备份本地数据，在 联网时则将本地数据上传至它的上一级数据库，从而实现管道阴极保护数据的远距离可靠 自动米集、传输及管理。
[0028] 本例中采集器硬件通信结点结构如图2所示。太阳能供电模块是一个高效的供电 系统，整个供电模块由太阳能电池板、充电管理电路、充电电池组(锂电池)、稳压电路、防雷 击电路组成；射频收发器CClllO是无线传感器网络结点进行数据转发处理的核心，它负责 与数据采集器进行数据通信，并完成数据打包，数据转发、数据校验，发射功率控制、系统待 机/唤醒、实现跳频等功能；下行链路主要有射频前端功放、3db电桥组成，它是实现结点远 距离通信的关键。可以使得结点比单独使用一片功率放大器时的发射功率提高3dB，提高了 发射功率较小的功率放大器的应用范围，使得系统最大发射功率达到5. 3W ;系统通信接口 使用国际标准的I2C通信协议，通过I2C总线接口与油气管道阴极保护数据采集设备可以进 行数据互联互通；射频开关是由CClllO芯片I/O 口通过射频开关控制电路对结点收/发通 路进行选择，可以满足不同功率传输下的设计要求。
[0029] 本例中结点之间通信协议的网络拓扑结构如图3所示，在运输管道起始位置布置 Sink节点。Sink节点具备相对较强的控制和处理能力，其主要有三种功能：第一，用以完成 向网络中发起各种命令来控制各个ED节点；第二，可实现汇聚各个ED节点数据并上传的功 能；第三，可实现与其他网络(如以太网、GSM网等）的连接。在运输管道上依次布置ED节 点，其节点物理地址以升序排列，相邻结点距离1公里左右。ED节点可完成两种网络功能： 第一，可作为无线传感器网络中数据采集节点，采集管道阴极保护数据；第二，可作为网络 的中继节点，完成节点数据多跳接力方式的传送给目的节点。本例实现编程语言为C语言， 采用IAR embedded workbench集成开发环境实现，通过RS232串口将协议栈下载至无线通 信模块中用以实现网络功能。
[0030] 本例中上位机管理软件最主要的特征在于权限管理，如图4所示，即首先管理员 给不同的用户分配一个不同的权限，每一个用户只能管理自己权限以内的管道数据信息。 当系统启动时出现登陆界面，用户可以根据网络连接状况选择单机或者连网。
[0031] 当以管理员身份连网登陆后，该管理系统连接的是远程总控制台数据库，进入到 主界面在管理菜单栏里会出现用户资料管理和用户管理密码设置。在主界面左侧是一个树 形的各级结点树，里面包总控制台结点以及它的各个下级结点。选择点击里面的任何一个 结点，在主界面右侧则会显示该结点的所有字段数据(包括总控名、站场名、管线名、保护站 名、测试桩编号、采集器编号、里程、经度、纬度和采集时间）。选择右键主界面左侧结点树， 可以添加、删除相应结点以及作结点拓扑图。主界面右边的修改、删除、计算按钮能分别修 改、删除和计算某些采集器在某个时间段里管道数据。
[0032] 当以总控级用户、站场级用户和管线级用户连网登陆，除了没有管理员用户连网 登陆后的用户管理之外，其他功能大体相同。
[0033] 当以保护站级用户连网登陆，该用户能对运行的无线传感器网络进行控制及定时 采集数据，用户在硬件控制界面里通过点击搜索结点按钮能获取与该保护站相连的无线传 感器网络的所有结点编号。通过点击请求数据按钮获取传感器结点采集到的电位、交感电 压以及温度值。如果在野外遇到信道干扰出现数据包的丢失，则可以通过点击强制调频按 钮使信道跳频。在定时采集设置界面里填上时间点并且选上定时采集后该系统能在每天的 固定时间将从传感器结点获取的数据保存在本地数据库中。
[0034] 本例经试验，能实现数据自动采集、定时监控及管理；提高了管道运输管理效率， 保证了管道运输的安全性。
【权利要求】
1. 一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极保护数据自 动采集方法，该方法所用的系统包括阴极保护数据自动采集系统的采集器、硬件通信结点、 结点之间的通信协议以及管理阴极保护数据的上位机和管理软件；系统在每一条管线布设 了一个线性无线传感器网络，于每条管线的起始位置安置称为Sink结点的数据接入结点， 在管线上需要采集阴极保护数据的位置布设称为ED结点的数据采集终端结点；在Sink结 点处布设管理系统，所以Sink节点是管理系统中单管线无线传感器网络的管理者，该管理 系统有数据库与其有输入、输出连接，并接有低级用户的输出；如此的多个管线之管理系统 输出接有高级用户和数据库的管理系统； 所述阴极保护数据自动采集系统的采集器是一款基于无线传感器网络、工作在 391MHz-464MHz频段、具有3-5公里传输能力的大功率硬件通信结点；本结点采用时分复用 工作方式； 所述阴极保护数据自动采集系统的结点之间通信协议是用来实现适用于能源管道运 输环境的无线传感器网络的保障通信；该网络拓扑分布基本为直线或曲线形； 所述阴极保护数据自动采集系统的上位机管理系统用户分为五个级别：管理员级、总 控级、站场级、管线级和保护站级，级别从高到低；该平台包括用户管理模块，结点管理模 块，各级结点拓扑图模块，数据的处理和分析模块，各级数据库的备份和上传模块以及硬件 控制模块；所述的用户管理模块基于该系统的管理特性，设计了五个级别的用户，分别为管 理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，而管理员级的用户能对其他各个级别的用户 进行添加、删除、修改和显示用户信息这几个功能； 基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法是： 1) 协议将网络起始结点设为Sink结点，将其余结点设为ED结点；Sink结点作为直接 与数据库进行交互的主结点，其具有较强的处理、控制及存储功能，一方面通过Sink结点 向其他ED结点发送控制指令，另一方面将由ED结点传送的数据进行汇总及上传；ED结点 作为主要的阴极保护数据的采集结点采集管道阴极保护数据并传送给Sink结点，ED结点 的数量根据网络的地理长度进行拓展，满足长距离的需求； 2) 网络中各个结点使用自行设计的满足基于能源管道运输环境特点的无线传感器网 络的"端口号映射法"协议方式，以实现结点之间多跳接力式的通信；"端口号映射法"协议 架构由底层到上层依次为：物理层，射频层，网络层及应用层；网络层通过调用物理层和射 频层封装的功能函数，形成供应用层调用的应用层功能接口函数，应用层通过数据包中的 端口号来调用特定的功能函数，并完成相应功能； 3) 当无线传感器网络中出现连续小于4的N个结点故障无法通信时，与故障结点相邻 的正常结点绕过故障结点正常通信；因所描述的网络覆盖距离较长，信道环境复杂，干扰影 响大，基于此设计了基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的跳频算法，以提供在 干扰环境中切换信道的保障通信；当周围环境中干扰严重或人为干预跳频时，Sink结点将 以广播形式发送时钟同步信息及跳频指令，ED结点收到该指令时完成与Sink结点的时钟 同步并根据已有的调频序列表进行跳频； 其特征是采用基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的动态路由选择算法、确 认重传机制、大数据包拆分发送算法和日志记录回传算法； 所述动态路由选择算法为：为了消除由于增减结点而造成的无线路由功能紊乱而设计 的算法，每次启动结点可以刷新现有的路由表，从而据其选择最优的无线传输路径进行数 据传输； 所述确认重传机制为：是一种为了保证传输成功率而设计的算法，当接收方收到发送 方发送的数据包时需要向其发送回传确认信息ACK，如果发送方没有收到ACK则认为发送 失败，一段时间后自动重传，直到接收到ACK信息为止； 所述大数据包拆分发送算法为：是为了避免大段数据同时丢失而设计的算法，将其拆 分为若干小数据包进行传送，每个小数据包中标有其在大数据包中的位置以及总分包数， 接收方将接收到的小数据包根据其位置信息重新拼装为原始大数据包； 所述日志记录回传算法为：是为了及时记录结点工作状态而设计的算法，各结点会将 状态信息以最小数据量进行记录并存储，当Sink结点发送日志请求指令时将其发回。
【文档编号】H04W84/18GK104217562SQ201310220311
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】薛致远, 徐承伟, 陈洪源, 林明春, 赵君, 毕武喜, 郭正虹, 康叶伟, 吴长访, 陈新华, 张丰, 陈振华, 姜有文, 赵晋云, 刘文会, 穆承广, 沈光霁, 徐华天 申请人:中国石油天然气股份有限公司