基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法技術

本發明專利技術是一種用于管道運輸系統的安全管理維護的基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法。其特征是采用基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的動態路由選擇算法、確認重傳機制、大數據包拆分發送算法和日志記錄回傳算法。本發明專利技術能實現數據自動采集、定時監控及管理，且能保障網絡協議的靈活性和兼容性以及網絡協議功能的完整性、穩定性和健壯性。

【技術實現步驟摘要】
基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法
本專利技術是一種用于管道運輸系統的安全管理維護的基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法。涉及金屬材料的一般防蝕、數據的識別和管道系統
技術背景管道運輸是國民經濟的五大運輸方式之一，能源等物資輸送管道通常要穿越漫長的無人地區，管道信息（如陰極保護電位信息，可用于監控金屬運輸管道腐蝕狀況）的準確采集對保障管道運輸的安全性和可靠性等方面有著非常重要的意義。現有的能源輸送管道的監控和管理仍然以人工為主，數據采集成本巨大，數據管理成本較高，困難較多。因此，建立強大、智能的自動監控管理體系是最新管道監控系統發展的方向。現實的需求是推動新技術發展的動力，近兩年來，迅速發展的無線傳感器網絡(WSN:WirelessSensorNetwork)極大地擴展了現有監控網絡的覆蓋范圍，為解決現有數據采集方式提供了新的思路。WSN通常是由部署在檢測區域內大量的廉價微型傳感器結點組成，通過無線通信方式形成一個多跳自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。將無線傳感器網絡應用到管道運輸的陰極保護數據自動監控管理系統中，可以大大降低數據監控成本，在無持續能源供給的惡劣環境中實現陰極保護數據自動采集監控，基于此本專利技術給出了基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集系統的整體設計方案，包括陰極保護數據自動采集系統的采集器,硬件通信結點，結點之間的通信協議，以及陰極保護數據自動采集系統上位機管理軟件的設計。CN102186258A公開了一種基于線形長距離的無線傳感器網絡的通信協議方法，但網絡協議的靈活性和兼容性以及網絡協議功能的完整性、穩定性和健壯性都不太理想。
技術實現思路
本專利技術的目的是專利技術一種基于無線傳感器網絡的、能實現數據自動采集、定時監控及管理并能保障網絡協議的靈活性和兼容性以及網絡協議功能的完整性、穩定性和健壯性的基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法。為了克服現有管道運輸中數據采集、管道監控、數據管理都是以低效率的人工方式進行的局限，在對管道運輸安全管理的需求進行分析以后，本專利技術開發了一套基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法和系統，該方法所用系統包括陰極保護數據自動采集系統的采集器、硬件通信結點、結點之間的通信協議以及管理陰極保護數據的上位機管理軟件。本專利技術所用系統的構成如圖1所示，系統在每一條管線布設了一個線性無線傳感器網絡，于每條管線的起始位置安置數據接入結點（以下簡稱Sink結點，如圖1所示），在管線上需要采集陰極保護數據的位置布設數據采集終端結點（以下簡稱ED結點，如圖1所示）。在Sink結點處布設管理系統，所以Sink節點是管理系統中單管線無線傳感器網絡的管理者，該管理系統有數據庫與其有輸入、輸出連接，并接有低級用戶的輸出。如此的多個管線之管理系統輸出接有高級用戶和數據庫的管理系統。其中：所述陰極保護數據自動采集系統的數據采集器是一款基于無線傳感器網絡、工作在391MHz-464MHz頻段、具有3-5公里傳輸能力的大功率硬件通信結點；本結點以德州儀器芯片CC1110為基礎，采用時分復用工作方式，整個系統主要由太陽能供電模塊、射頻收發器CC1110、下行鏈路（主要包括由射頻前端功放、3db電橋組成的平衡功率放大器）、上行鏈路（主要包括低噪聲放大器）以及射頻開關組成，如圖2所示；太陽能供電模塊接射頻收發器CC1110，射頻收發器CC1110中的數據存儲器接數據采集器輸出，射頻收發器CC1110差分接口接阻抗變換器，阻抗變換器與第一射頻開關互有輸入和輸出連接；第一射頻開關輸出接包括由射頻前端功放、3db電橋組成的平衡功率放大器的下行鏈路，下行鏈路再接第二射頻開關后接收發天線；第二射頻開關輸出經主要包括低噪聲放大器的上行鏈路接第一射頻開關；其中，在下行鏈路采用的平衡式放大器，是實現遠距離通信所需功率的關鍵設計；所述陰極保護數據自動采集系統的結點之間通信協議是用來實現適用于能源管道運輸環境的無線傳感器網絡的保障通信；該網絡拓撲分布基本為線形（直線或曲線，沒有交叉或重疊），具有跨度范圍長、傳感器結點密度低等特點；所述陰極保護數據自動采集系統的上位機的系統用戶分為五個級別：管理員級、總控級、站場級、管線級和保護站級，級別從高到低；該平臺包括用戶管理模塊，結點管理模塊，各級結點拓撲圖模塊，數據的處理和分析模塊，各級數據庫的備份和上傳模塊以及硬件控制模塊；所述的用戶管理模塊基于該系統的管理特性，設計了五個級別的用戶，分別為管理員級、總控級、站場級、管線級和保護站級，而管理員級的用戶能對其他各個級別的用戶進行添加、刪除、修改和顯示用戶信息這幾個功能。基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法為：1）協議將網絡起始結點設為Sink結點，將其余結點設為ED結點；Sink結點作為可以直接與數據庫進行交互的主結點，其具有較強的處理、控制及存儲功能，一方面可以通過Sink結點向其他ED結點發送控制指令，另一方面可以將由ED結點傳送的數據進行匯總及上傳;ED結點作為主要的陰極保護數據的采集結點可以采集管道陰極保護數據并傳送給Sink結點，ED結點的數量可以根據網絡的地理長度進行拓展，滿足長距離的需求；2）網絡中各個結點使用自行設計的滿足基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的“端口號映射法”協議方式，以實現結點之間多跳接力式的通信；“端口號映射法”協議架構由底層到上層依次為：物理層，射頻層，網絡層及應用層。網絡層通過調用物理層和射頻層封裝的功能函數，形成供應用層調用的應用層功能接口函數，應用層通過數據包中的端口號來調用特定的功能函數，并完成相應功能；3）當無線傳感器網絡中出現連續N(N<4)個結點故障無法通信時，與故障結點相鄰的正常結點可繞過故障結點正常通信；由于設計所描述的網絡覆蓋距離較長，信道環境復雜，干擾影響大，基于此設計了基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的跳頻算法，以提供在干擾環境中切換信道的保障通信；當周圍環境中干擾嚴重或人為干預跳頻時，Sink結點將以廣播形式發送時鐘同步信息及跳頻指令，ED結點收到該指令時完成與Sink結點的時鐘同步并根據已有的調頻序列表進行跳頻；4）為了保障網絡協議的靈活性和兼容性，以及網絡協議功能的完整性、穩定性和健壯性，本專利技術的特征是自行設計了基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的動態路由選擇算法、確認重傳機制、大數據包拆分發送算法和日志記錄回傳算法；◆動態路由選擇算法：為了消除由于增減結點而造成的無線路由功能紊亂而設計的算法，每次啟動結點可以刷新現有的路由表，從而據其選擇最優的無線傳輸路徑進行數據傳輸；◆確認重傳機制：是一種為了保證傳輸成功率而設計的算法，當接收方收到發送方發送的數據包時需要向其發送回傳確認信息（ACK），如果發送方沒有收到ACK則認為發送失敗，一段時間后自動重傳，直到接收到ACK信息為止；◆大數據包拆分發送算法：是為了避免大段數據同時丟失而設計的算法，將其拆分為若干小數據包進行傳送，每個小數據包中標有其在大數據包中的位置以及總分包數，接收方將接收到的小數據包根據其位置信息重新拼裝為原始大數據包；◆日志記錄回傳算法：是為了及時記錄結點工作狀本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于管道運輸系統的安全管理維護的基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法，該方法所用的系統包括陰極保護數據自動采集系統的采集器、硬件通信結點、結點之間的通信協議以及管理陰極保護數據的上位機和管理軟件；系統在每一條管線布設了一個線性無線傳感器網絡，于每條管線的起始位置安置稱為Sink結點的數據接入結點，在管線上需要采集陰極保護數據的位置布設稱為ED結點的數據采集終端結點；在Sink結點處布設管理系統，所以Sink節點是管理系統中單管線無線傳感器網絡的管理者，該管理系統有數據庫與其有輸入、輸出連接，并接有低級用戶的輸出；如此的多個管線之管理系統輸出接有高級用戶和數據庫的管理系統；所述陰極保護數據自動采集系統的采集器是一款基于無線傳感器網絡、工作在391MHz?464MHz頻段、具有3?5公里傳輸能力的大功率硬件通信結點；本結點采用時分復用工作方式；所述陰極保護數據自動采集系統的結點之間通信協議是用來實現適用于能源管道運輸環境的無線傳感器網絡的保障通信；該網絡拓撲分布基本為直線或曲線形；所述陰極保護數據自動采集系統的上位機管理系統用戶分為五個級別：管理員級、總控級、站場級、管線級和保護站級，級別從高到低；該平臺包括用戶管理模塊，結點管理模塊，各級結點拓撲圖模塊，數據的處理和分析模塊，各級數據庫的備份和上傳模塊以及硬件控制模塊；所述的用戶管理模塊基于該系統的管理特性，設計了五個級別的用戶，分別為管理員級、總控級、站場級、管線級和保護站級，而管理員級的用戶能對其他各個級別的用戶進行添加、刪除、修改和顯示用戶信息這幾個功能；基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法是：1）協議將網絡起始結點設為Sink結點，將其余結點設為ED結點；Sink結點作為直接與數據庫進行交互的主結點，其具有較強的處理、控制及存儲功能，一方面通過Sink結點向其他ED結點發送控制指令，另一方面將由ED結點傳送的數據進行匯總及上傳;ED結點作為主要的陰極保護數據的采集結點采集管道陰極保護數據并傳送給Sink結點，ED結點的數量根據網絡的地理長度進行拓展，滿足長距離的需求；2）網絡中各個結點使用自行設計的滿足基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的“端口號映射法”協議方式，以實現結點之間多跳接力式的通信；“端口號映射法”協議架構由底層到上層依次為：物理層，射頻層，網絡層及應用層；網絡層通過調用物理層和射頻層封裝的功能函數，形成供應用層調用的應用層功能接口函數，應用層通過數據包中的端口號來調用特定的功能函數，并完成相應功能；3）當無線傳感器網絡中出現連續小于4的N個結點故障無法通信時，與故障結點相鄰的正常結點繞過故障結點正常通信；因所描述的網絡覆蓋距離較長，信道環境復雜，干擾影響大，基于此設計了基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的跳頻算法，以提供在干擾環境中切換信道的保障通信；當周圍環境中干擾嚴重或人為干預跳頻時，Sink結點將以廣播形式發送時鐘同步信息及跳頻指令，ED結點收到該指令時完成與Sink結點的時鐘同步并根據已有的調頻序列表進行跳頻；其特征是采用基于能源管道運輸環境特點的無線傳感器網絡的動態路由選擇算法、確認重傳機制、大數據包拆分發送算法和日志記錄回傳算法；所述動態路由選擇算法為：為了消除由于增減結點而造成的無線路由功能紊亂而設計的算法，每次啟動結點可以刷新現有的路由表，從而據其選擇最優的無線傳輸路徑進行數據傳輸；所述確認重傳機制為：是一種為了保證傳輸成功率而設計的算法，當接收方收到發送方發送的數據包時需要向其發送回傳確認信息ACK，如果發送方沒有收到ACK則認為發送失敗，一段時間后自動重傳，直到接收到ACK信息為止；所述大數據包拆分發送算法為：是為了避免大段數據同時丟失而設計的算法，將其拆分為若干小數據包進行傳送，每個小數據包中標有其在大數據包中的位置以及總分包數，接收方將接收到的小數據包根據其位置信息重新拼裝為原始大數據包；所述日志記錄回傳算法為：是為了及時記錄結點工作狀態而設計的算法，各結點會將狀態信息以最小數據量進行記錄并存儲，當Sink結點發送日志請求指令時將其發回。...

【技術特征摘要】
1.一種用于管道運輸系統的安全管理維護的基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法，該方法所用的系統包括陰極保護數據自動采集系統的采集器、硬件通信結點、結點之間的通信協議以及管理陰極保護數據的上位機和管理軟件；系統在每一條管線布設了一個線性無線傳感器網絡，于每條管線的起始位置安置稱為Sink結點的數據接入結點，在管線上需要采集陰極保護數據的位置布設稱為ED結點的數據采集終端結點；在Sink結點處布設管理系統，所以Sink節點是管理系統中單管線無線傳感器網絡的管理者，該管理系統有數據庫與其有輸入、輸出連接，并接有低級用戶的輸出；如此的多個管線之管理系統輸出接有高級用戶和數據庫的管理系統；所述陰極保護數據自動采集系統的采集器是一款基于無線傳感器網絡、工作在391MHz-464MHz頻段、具有3-5公里傳輸能力的大功率硬件通信結點；本結點采用時分復用工作方式；所述陰極保護數據自動采集系統的結點之間通信協議是用來實現適用于能源管道運輸環境的無線傳感器網絡的保障通信；該網絡拓撲分布基本為直線或曲線形；所述陰極保護數據自動采集系統的上位機管理系統用戶分為五個級別：管理員級、總控級、站場級、管線級和保護站級，級別從高到低；所述管理軟件包括用戶管理模塊，結點管理模塊，各級結點拓撲圖模塊，數據的處理和分析模塊，各級數據庫的備份和上傳模塊以及硬件控制模塊；所述的用戶管理模塊基于該系統的管理特性，設計了五個級別的用戶，分別為管理員級、總控級、站場級、管線級和保護站級，而管理員級的用戶能對其他各個級別的用戶進行添加、刪除、修改和顯示用戶信息這幾個功能；基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集方法是：1)協議將網絡起始結點設為Sink結點，將其余結點設為ED結點；Sink結點作為直接與數據庫進行交互的主結點，其具有較強的處理、控制及存儲功能，一方面通過Sink結點向其他ED結點發送控制指令，另一方面將由ED結點傳送的數據進行匯總及上傳；ED結點作為主要的陰極保護數據的采集結點采集管道陰極保護數據并傳送給Sink...

【專利技術屬性】
技術研發人員：薛致遠，徐承偉，陳洪源，林明春，趙君，畢武喜，郭正虹，康葉偉，吳長訪，陳新華，張豐，陳振華，姜有文，趙晉云，劉文會，穆承廣，沈光霽，徐華天，
申請(專利權)人：中國石油天然氣股份有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11