海洋平臺數據管理的無線控制儀系統設計

喻 言，孟元棟，焦 棟，李志瑞，王 潔，張傳杰，歐進萍

（1.大連理工大學 電子科學與技術學院，遼寧 大連116024；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；3.大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連116024；4.大連理工大學 電子信息與電氣工程學部，遼寧 大連116024；5.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連116024）

0 引 言

用于海洋油氣資源開發的大型海洋平臺結構，其使用期可達幾十年、上百年，環境的侵蝕、材料的老化和荷載長期作用、損傷疲勞效應等災害因素的耦合作用將導致結構和系統的損傷不斷積累和抗力逐漸衰減，從而使其抵御自然災害、甚至在正常工況中的服役能力下降，極端情況引發災難性事故。必須對結構的工作狀態和健康狀況做出及時的檢測和正確的評價，否則將會帶來巨大的經濟損失甚至人員傷亡［1］。1965年英國北海海上石油鉆井平臺 “海上鉆石”號失效；1969年的渤海大冰封，海冰推倒了 “海一井”和 “海二井”兩座石油平臺；1980年3月27日，墨西哥灣的 “基蘭”號石油平臺被波浪吞沒，遇難者達120多人；1986年冬，中國渤海石油鉆井2號平臺被海冰推倒；2001年，巴西P－36海洋平臺爆炸倒塌。上述一系列事故造成了巨大的生命與財產損失，為減少這些損失，急需對海洋平臺結構采取在線健康檢測與診斷，進而評價平臺的安全狀況，并以此為基礎進行平臺修復和結構損傷控制［2－4］。然而，我國海洋工程領域基于結構動力特性的結構健康檢測的發展相對滯后。

海洋平臺結構檢測與監測技術通常采用人工無損檢測、有線采集相結合的技術手段來實現，而這些技術的實施需配備特殊的測試裝置和專業人員，對海洋平臺的檢測極其不方便而且代價很高。與上述技術方法相比較，基于振動數據測試的無損檢測法實施相對簡單、成本不高［5－6］。通常，對海洋平臺進行振動參數采集是利用傳感器獲得的結構響應信號輸出來實現，再結合相應智能算法處理采集數據并提取特征數據，從而評估海洋平臺的結構狀態并給出應對方案。目前，傳感器陣列連接與測試多采用有線模式，這種有線模式在平臺檢測中應用，會造成消耗大量布線、布線工作困難等問題。并且由于布線較多，布線導線束會很粗，一旦受破壞后很難檢查出來是哪一根導線損壞，維護成本高，而布線過程也會消耗大量的人力和財力資源。所有這些問題都給傳感器的平臺檢測工程化應用帶來了困難和挑戰［7－8］。無線傳感器及其網絡技術 （WSN）是隨著傳感器、MEMS和無線通信等技術的發展而初具規模。目前無線傳感技術應用于結構監測已成為這方面研究的熱點，該項技術無需布線且在保證數據可靠采集和傳輸的同時，能有效地彌補有線采集技術布線量大、維護費用高的不足［9－11］。

基于此，本文設計了用于海洋平臺結構響應數據的無線控制系統，并通過數據挖掘分類技術實現了采集數據的處理。

1 系統總體架構設計

整個無線控制儀管理系統的總體架構如圖1所示，由1個無線控制儀和8個無線傳感器節點構成，設計容量為64通道采集，每個采集節點帶有8個16位A/D通道，數據采用基于Zigbee的2.4GHz無線信道進行傳輸。每個節點的無線信道獨立占用一個頻點，負責采集數據的傳輸。

圖1 無線控制儀管理系統的總體架構

2 無線控制儀設計

2.1 無線控制儀的硬件集成

無線控制儀主要完成對底層無線傳感器節點的管理、數據采集、存儲、分析等功能，采用模塊化設計，如圖2所示，主要由計算機單元 （PC）、無線模塊 （數據信道、控制信道）、串口服務器 （USB或PCI）構成。

2.1.1 計算機單元

計算機單元是無線控制儀的中心，在計算機單元上嵌入智能采集控制軟件就可以實現對無線傳感器節點進行控制、對采集到的振動數據進行分析、處理等功能。

2.1.2 串口服務器

隨著計算機產業的不斷壯大和發展，USB通信接口已經成為最主要的外圍接口方式，正逐步取代傳統計算機的各種低速外圍通信接口。當前，外部設備正通過計算機的RS232串行接口完成相互通信，該模式是眾多測控系統中常規的一種信息交互的解決方案。在本設計中需使用USB到RS－232的串口服務器來實現PC機與RS－232設備之間的數據傳輸與通信。串口服務器是計算機單元與無線模塊之間的硬件媒介，通過串口形式與無線模塊連接起來，通過USB接口方式與計算機單元相連接，把通過串口形式接收的數據以USB的方式傳送到計算機單元中。

設計選用UT－2003B串口服務器實現串口功能，UT－2003B是一款能夠將單端的USB信號轉換為UART的RS－232信號的通用接口轉換器，兼容USB、RS－232標準且無需外加電源，RS－232端采用DB9公頭進行連接。轉換器可實現零延時自動收發和轉換，可即插即用，獨特的輸入/輸出電路實現自動控制數據流方向，從而確保該款串口服務器兼容當前現有的通信軟件和接口硬件。該串口服務器能夠完成點到點通信，數據通信速率從300到921.6Kbps選擇，完全可以滿足無線控制儀的集成要求。

2.1.3 無線模塊

無線模塊由8個接收節點組成，需與無線傳感器節點的頻段匹配，主要實現以下功能：由計算機單元上的嵌入式采集控制軟件通過無線方式向無線傳感器節點發送指令，以控制各個節點的動作；接收各個對應的無線傳感器節點發送過來的振動數據并把數據通過串口服務器以USB的方式傳到計算機單元。

無線模塊以Zigbee無線芯片為內核，包括CC2520無線芯片以及與其配套使用的放大前端CC2591。CC2520無線芯片是TI公司生產的ISM免費頻帶的專用無線射頻收發器，工作頻段為2.4GHz；CC2591是當前集成度最高的2.4GHz射頻前端，具有低功耗與低電壓無線應用的特點，可有效地提高發射的功率和接收機的靈敏度，進而增強無線射頻信號的強度和無線通信距離［12］。

對計算機單元、串口服務器單元、無線模塊單元進行調試并集成，集成后的無線控制儀如圖3所示。

圖3 無線控制儀集成實物

2.2 無線控制儀的軟件設計

無線控制儀的采集控制軟件采用模塊化設計，利用Microsoft Visual Studio 2005與PL SQL Developer進行開發［13］，Microsoft Visual C＃語言是Microsoft Visual Studio.NET引入的、具有簡單、現代、類型安全和面向對象等特點的一類新型編程語言，它在C和C＋＋基礎上衍生出來，基于該種語言可以進行從底層軟件到直接面向用戶的各類軟件的開發工作。PL/SQL Developer是一個專門面向Oracle數據庫存儲程序單元開發的集成開發環境，具有語法加強、SQL和PL/SQL幫助、對象描述、代碼助手、編譯器提示、PL/SQL完善、代碼內容、代碼分級、瀏覽器按鈕、超鏈接導航、宏庫等許多智能特性，能夠滿足要求性最高的用戶需求。

2.2.1 基本設置

基本設置模塊主要用于根據需求對無線傳感器節點以及無線傳輸通道等進行一些基本設置，如無線傳感器節點的狀態、無線傳輸的頻點、通道與傳輸速率等信息。

2.2.2 實時波形監測

實時波形監測模塊將64個通道分成8組，分別對應8個無線傳感器節點。可以設置 “采集頻率”和 “存庫時間”進行數據采集，采集到的數據在實時波形圖框中予以顯示，并將采集到的數據存入數據庫，以便于數據的保存與后期更精確的數據處理。點擊開始采集圖標即可進行數據采集。在這里的存庫操作是將采集到的數據都存儲入庫，并沒有進行 “存儲時間設置”。實時波形顯示界面如圖4所示。

圖4 實時波形顯示

2.2.3 歷史波形查看

歷史波形查看模塊可以就已采集到的數據，進行歷史波形回放。可以很好的方便用戶對各通道在過去從某一時間開始的波形進行查看，方便對海洋平臺結構在某一段時間的振動情況進行分析、查看。歷史波形查看界面如圖5所示。

圖5 歷史波形回放

2.2.4 數據分類與導出

數據分類與導出模塊根據數據挖掘技術進行設計，可將已采集到的某一節點某一通道在某一時間段的數據導入到指定文件中。在數據庫內，根據先驗知識可將采集的數據按照布點方位、閾值大小等進行分類。數據導出后可對數據進行二次處理，能夠更好的分析海洋平臺結構的振動情況、疲勞效應、結構性能等，為平臺結構的可靠運行提供精確的判定。數據導出界面如圖6所示。

圖6 數據導出界面

3 實驗與分析

完成了軟硬件設計后，對無線控制儀進行了聯調測試，測試過程主要分為以下幾個步驟：串口服務器的安裝，無線傳感器節點上電，無線控制儀通過無線信道發開始采集指令，無線傳感器節點響應開始采集指令并以無線方式向無線控制儀發送數據，無線控制儀的PC機中的采集控制軟件對采集到的數據進行時頻域處理、數據分類和導出等操作。

實驗是在等強度梁上進行的，把無線傳感器節點與作比對用的有線加速度傳感器布設到等強度梁的某一位置處，用強磁鐵緊緊的固定。利用數字信號發生器產生正弦信號，通過功率放大器進行放大，驅動激振器對等強度梁產生正弦激勵，模擬低頻振動信號。有線加速度傳感器與NI的數據采集儀PXI－4472相連來完成振動數據的有線采集，無線傳感器節點與無線控制儀進行通信，完成數據的無線采集和傳輸。實驗方案框圖如圖7所示。

圖7 實驗方案框架

實驗中，以100Hz的采樣頻率進行同步采集，采集時間相同。對采集到的數據進行頻譜分析。圖8、圖9分別給出了振動頻率為0.5Hz、1Hz的有線與無線頻譜比較圖。

通過對參考頻率為0.5Hz與1Hz的兩種工況的頻譜比較圖，可以看出無線控制儀具有良好的可靠性，能夠很好的反映結構的振動情況，具有相當的精確度。對頻譜圖中的一階中心頻率進行相對誤差分析，發現誤差很小，如表1所示。

表1 頻率誤差分析

4 結束語

本文為了實現對海洋平臺結構振動檢測、監測數據的可靠管理，探討了進行海洋平臺結構振動測試的無線控制儀的軟硬件開發工作，并通過實驗驗證了無線控制儀的可靠性和對振動響應數據的準確性。本研究所設計的無線控制儀數據管理系統：可實現平臺多點振動測量、數據分類與存儲、數據時頻域分析以及多節點運行管理等功能；具有結構簡單、容易實現、便攜等特點，為海洋平臺結構檢測、數據分析、整體決策提供了一種新的技術手段，具有很好的應用前景。

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