基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工裝備數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

張少鋒

摘要：以往的有線式傳感測控系統(tǒng)有許多缺點，布線復(fù)雜且難以維護，難以滿足設(shè)備生產(chǎn)運行狀態(tài)監(jiān)測的需求。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛。文章提出采用先進的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機測控技術(shù)設(shè)計一款數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)和化工裝備狀態(tài)實時監(jiān)測技術(shù)，擁有更多的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通信能力較強，能夠更好地滿足化工裝備運行狀態(tài)監(jiān)測的需要。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；傳感器網(wǎng)絡(luò)；化工裝備；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP39? 文獻標志碼：A

1 研究現(xiàn)狀

科技正在不斷往前發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域與行業(yè)也在不斷擴大，從軍事領(lǐng)域逐漸向其他行業(yè)擴展，當前不少環(huán)境領(lǐng)域、民用領(lǐng)域等都已經(jīng)運用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。美國的部分學院，如麻省理工學院等開始分析與研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。除此之外，“ZigBee聯(lián)盟”也有4家國際知名公司加盟其中，這幾家公司都對ZigBee技術(shù)不斷分析與研究。在當前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域里面，ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯，如表1所示將短距離通信技術(shù)參數(shù)對比具體地呈現(xiàn)出來。我國在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的理論方面做分析與研究時，主要是中國科學院和相關(guān)的商業(yè)公司以及科研機構(gòu)進行分析。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議方面，我國科學院也獲得了更多的成果。

2 基于WSN的監(jiān)測系統(tǒng)框架

通常所說的化工裝備包括換熱器、反應(yīng)釜等，這類化工裝備的工作介質(zhì)具有以下這些特征：高溫、高壓，或者是有特別強的腐蝕性，通常對自然以及人體會造成一定的危害。如果這些設(shè)備的安全性產(chǎn)生了破壞，就會有嚴重的事故發(fā)生，不光是工作人員的財產(chǎn)，連同工作人員的性命也會遭到威脅與損害。所以，對化工裝備來說，能夠擁有實時監(jiān)測的設(shè)備來確保安全是有必要且重要的。文章所運用的基本原理是以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)作為基礎(chǔ)，提出的一種鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是由幾個部分所組成，包括：有線數(shù)據(jù)傳輸、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、遠程服務(wù)等。

數(shù)據(jù)采集部分最大的作用在于轉(zhuǎn)化信號，這里的信號通常是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測點，主要的任務(wù)是將物理信號改變成數(shù)字信號，在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集功能要想順利被達成，需要用到無線傳感器節(jié)點，而這些傳感器節(jié)點要想運行則需要用到各種傳感器，這些傳感器能夠?qū)?shù)據(jù)信息有所感知、監(jiān)測以及采集；當運用無線數(shù)據(jù)傳輸時，實際上就是將采集到的數(shù)據(jù)信息做了傳輸，傳輸?shù)膬啥朔謩e是傳感器以及匯聚節(jié)點（Sink Node）［1］。在該系統(tǒng)里面，用來對無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息做匯集的網(wǎng)關(guān)設(shè)備其實是EMBV210實驗平臺，然后將收集到的數(shù)據(jù)信息做轉(zhuǎn)化，讓其成為數(shù)據(jù)包，而這個后生成的數(shù)據(jù)包其實是符合TCP/IP協(xié)議的，隨后再將這個數(shù)據(jù)包直接輸送到檢測中心位置的服務(wù)器以及上位機中，而這個輸送的網(wǎng)絡(luò)是有線以太網(wǎng)；當使用監(jiān)測中心上位機以及數(shù)據(jù)服務(wù)器時，通常使用到以下兩個軟件，一個是數(shù)據(jù)庫軟件，另一個則是虛擬儀器軟件。同時還需要讓擁有人機界面的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備得以順利開發(fā)，這樣就能夠?qū)⑺行枰槐O(jiān)測的數(shù)據(jù)信號有所分析以及處理，而且最終的處理結(jié)果能夠以文字、數(shù)字或圖形的方式呈現(xiàn)出來，便于管理人員實時監(jiān)測，也有利于管理人員對過去的記錄進行查詢，這樣當設(shè)備因為意外原因而發(fā)生故障時，還能有數(shù)據(jù)作為依據(jù)支撐；遠程服務(wù)需要用到網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)共享的方式，可以把本地檢測中心服務(wù)器以及上位機里面的信息直接共享到專家組，或者是共享給遠程管理者，這樣就能夠讓設(shè)備具備實時監(jiān)測的功能與作用，而且如果設(shè)備出現(xiàn)了故障，也能夠遠程診斷以及遠程決策［2］。

3 SCADA-CERCWSN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分類

在分簇的層次性網(wǎng)絡(luò)中，整個網(wǎng)絡(luò)被區(qū)分為若干個簇（Cluster），每個簇由一個簇頭節(jié)點（Cluster-head）和眾多簇成員節(jié)點（Cluster-member）構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集這部分通常是簇成員節(jié)點來負責的，然后這些數(shù)據(jù)會直接轉(zhuǎn)發(fā)到簇頭節(jié)點，而轉(zhuǎn)發(fā)的方式通常是多跳的通信方式。當簇頭節(jié)點將這些數(shù)據(jù)接收之后，這些數(shù)據(jù)會被冗余處理以及數(shù)據(jù)融合，隨后發(fā)送到Sink節(jié)點。簇頭節(jié)點擁有一項功能叫數(shù)據(jù)融合，當運用這項功能后，網(wǎng)絡(luò)里面轉(zhuǎn)發(fā)的冗余數(shù)據(jù)就會減少，最終數(shù)據(jù)通信量將會相應(yīng)減少，能量也能被相應(yīng)節(jié)約［3］。與此同時，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜情況也會被層次化結(jié)構(gòu)而降低，這樣簇就能更易于重建。所以，如果光從功能區(qū)別的方向看，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以被分成3個類型，一是Sink節(jié)點，二是簇成員節(jié)點，三是簇頭節(jié)點。企業(yè)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如果按照功能目標（生產(chǎn)過程、監(jiān)測系統(tǒng)等）來分，能有3個層次出現(xiàn)：車間級、企業(yè)級以及現(xiàn)場級。按照上面的層次來劃分，本文所提及的通信設(shè)備能夠被分成兩大類：一類是車間級網(wǎng)關(guān)節(jié)點，另一類是現(xiàn)場級無線傳感器節(jié)點。

3.1 現(xiàn)場級無線傳感器節(jié)點

一般情況下，當應(yīng)用不一樣時，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也擁有不一樣的結(jié)構(gòu)，不過通常都擁有以下4個部分：電源模塊、傳感器模塊、無線射頻模塊以及微處理器模塊，具體如圖1所示。不管是什么類型的節(jié)點，這些模塊都是必須擁有的。其中電源模塊的作用主要是將管理能源以及電路系統(tǒng)提供出來；傳感器模塊對數(shù)據(jù)信息做采集以及轉(zhuǎn)換；無線射頻模塊主要用來和周邊的節(jié)點做無線通信，并對采樣的數(shù)據(jù)進行發(fā)送與接收，最終順利讓信號能轉(zhuǎn)換等［4］；而微處理器模塊能操作所有的節(jié)點，常用的操作形式有：對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行運行、對收集到的數(shù)據(jù)有所存儲并處理等。

3.2 車間級網(wǎng)關(guān)節(jié)點

想讓WSN和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，讓收集到的數(shù)據(jù)信息做分析以及處理，就必須要擁有網(wǎng)關(guān)設(shè)備。不過，在當前擁有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)里，例如CDMA與GPRS中，上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什⒉桓?。由于當使用有線以太網(wǎng)時，其上行的速率最大能夠到達100Mbps，所以通常所選擇的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是有線以太網(wǎng)，因為運用了該網(wǎng)絡(luò)能讓監(jiān)測中心的服務(wù)器以及上位機里面的數(shù)據(jù)在進行交換時得以被WSN網(wǎng)絡(luò)順利監(jiān)測。

當數(shù)據(jù)信息在以太網(wǎng)中做交換時，和WSN的主要聯(lián)系就是網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通常有以下幾大模塊：WNS射頻通信模塊、Internet數(shù)據(jù)通信模塊以及數(shù)據(jù)處理與控制模塊［5］。而Internet數(shù)據(jù)通信模塊不但需要向上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給上位機，還需要向下轉(zhuǎn)發(fā)上位機。從這里能夠得知，網(wǎng)關(guān)需要對數(shù)據(jù)量處理，而且數(shù)據(jù)量特別多，而且還要對TCP/IP協(xié)議有所支持，需要擁有更多的能力。不過網(wǎng)關(guān)通常都是有線連接，所以在能耗方面限制并不嚴格。

4 現(xiàn)場級節(jié)點通信能力分析

4.1 路徑損耗與通信能力分析

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點來說，節(jié)點的通信能力與系統(tǒng)的特性以及生產(chǎn)環(huán)境有一定的聯(lián)系。當受到這些因素的影響時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在傳輸時會產(chǎn)生路徑損耗，這些影響可以直接用路徑損耗去表示。自由空間路徑損耗應(yīng)用如下公式計算：

PL=201gf+201gd-28（1）

式中，PL為路徑損耗（dB）；f為工作頻率（MHz）；d為兩節(jié)點之間的距離（m）。自由空間路徑損耗是f和d的函數(shù)，要想讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間擁有可靠的通信，其中的關(guān)鍵點就在于部署節(jié)點的合理性以及對工作頻率的選擇情況。不僅如此，如果在相同的區(qū)域或者是設(shè)備里將很多類型相同的節(jié)點放置在一起，就能夠運用節(jié)點本身的性質(zhì)來發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點以及發(fā)現(xiàn)路由的事項自動完成，讓網(wǎng)絡(luò)順利運行，讓網(wǎng)絡(luò)的抗毀性以及對數(shù)據(jù)信息的傳輸實時性得以提升［6］。

4.2 節(jié)點電容量與通信能力分析

鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有在布置方面較為簡潔、成本方面較低等因素，因此不同的節(jié)點都會最終集成有電源模塊。供電模式是電池供電，所用的電容量是有限的，自然會對通信能力有所影響。節(jié)點的能量消耗與通信距離的關(guān)系可定義如下：

Econs=Ee+kdn（2）

式中，Econs表示為一次通信的總電能消耗量，Ee表示為此次通信中數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制等過程的能耗，k為傳播損耗系數(shù)，n 為傳播損耗指數(shù)?？紤]多方面因素，參數(shù)n一般取3，也就是說，能耗和距離的三次方是能夠映現(xiàn)正比的，因而，當距離不斷增添時，能耗也會相應(yīng)隨著加多。不僅如此，當實際運用的時候，不但要對自由空間路徑的損耗情況做考慮，還要對工業(yè)環(huán)境對信號衰減的作用與影響做考慮。

5 結(jié)語

文章將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用到化工裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中，并提出了以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)替代，在這個基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)了鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工裝備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)，分別剖析了這個架構(gòu)中不同組成部分的用意及達成的策略，實現(xiàn)對于監(jiān)控化工裝備運行的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和傳輸?shù)哪康?。在后續(xù)相關(guān)研究中，筆者還將在擴展系統(tǒng)功能、集成系統(tǒng)功能模塊、改善和穩(wěn)定系統(tǒng)性能等方向上進行重點探究。

參考文獻

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［3］施曉斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題研究［D］.福州：福州大學，2018.

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（編輯 傅金睿）

Research on data acquisition technology of chemical equipment based on wireless sensor network

Zhang? Shaofeng

（CenerTech Tianjin Chemical Research and Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300131， China）

Abstract：? The previous wired sensor observation and control system has many shortcomings， such as complex wires and difficult maintenance， etc. In this respect， it is difficult to gradually meet the observation requirements of the production and operation state of the equipment. In recent years， with the continuous development of wireless sensor network technology， its application scope is more and more wide. This paper is a data collection system designed by advanced wireless sensor network technology and computer measurement and control technology. The system combines network sensor technology and real-time monitoring technology of chemical equipment status. More sensor networks have strong communication ability， which can better monitor the running state of chemical equipment to meet the needs.

Key words： wireless sensor; sensor network; chemical equipment; data acquisition