管道無線傳感網絡安全預警系統研究

孫晉豪，李國洪

(北華航天工業學院電子工程系，河北廊坊065000)

目前，對于管道的安全預警方法，國內基本上還停留在飛機和人工巡線階段。國內外的SCADA 監控軟件非常豐富，而且功能很強大，但是大多數價格高昂，底層不公開，需要專門維護，不易于低成本應用，也不利于推廣。因此開發出一套成本低廉、防護有效的管道安全預警系統勢在必行。本項目立足成熟的數據傳輸技術，借助于已有的網絡技術平臺，針對特定有警信息和有限功能開發的VB 語言監控軟件具有代碼簡單，易維護，界面簡潔，專業定制等特點［1-2］。

1 管網安全預警系統設計

1.1 系統拓撲

管網安全預警系統由大量沿管道預埋布設的帶有GSM 無線傳輸方式的檢測節點模塊和帶有GSM 模塊的計算機監控中心兩部分組成。檢測節點主要由緊貼管道壁的加速度傳感器、處理器、GSM 模塊、高能蓄電池組成;計算機監控中心由VB 編寫的監測報警軟件和通過RS232 接口連接到計算機的GSM 模塊構成。GSM系統(Global System for Mobile communication)是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、完善，應用最廣泛的一種系統［3-4］。管網安全預警系統示意圖如圖1所示。

1.2 監控軟件功能設計

監控軟件由VB 語言編寫，實現了對布設在管道沿線的帶有GSM 無線傳送方式的檢測模塊的信息采集，具有模塊定位、歷史查詢、聲光報警、節點增減、短信報警等功能。監控軟件功能示意圖如圖2。具體功能有如下幾點:

1)接受檢測節點的報警信息并對監控室人員發出聲光警報。當管道有觸警事件發生時，通過加速度傳感器將信息傳給有單片機控制的采集模塊，經由DSP組成的分析模塊作出判斷，是否虛假報警，如果屬實發給監控中心報警，若屬虛警，拋棄。

圖1 管網安全預警系統示意圖

2)顯示有警終端的具體位置，帶有圖片電子地圖。

3)設定報警手機分組。當監控室人員知道有警報后，選擇轉發報警人員手機，并能對報警人員的信息進行編輯。

4)終端狀態的監控。

5)報警日志的查詢。

6)報警級別的設定。

7)統計終端報警信息。

8)終端的加入和移除。

圖2 監測軟件功能示意圖

2 GSM 模塊接口通信設計

2.1 串行通信

采用西門子公司的TC35 模塊，該模塊支持RS232串口九針串口通信方式。采用VB6.0 編寫程序，采用MSComm 控件實現串行通信，MSComm 控件的詳細配置和內容參見文獻［5-6］，項目設計對MSComm 控件的配置如圖3。訪問TC35 模塊主要靠AT 指令，詳細AT 指令參考文獻［5］。下位機檢測節點使用UART與GSM 模塊通訊。

圖3 MSComm 控件的配置

2.2 GSM 模塊訪問方法

TC35T/TC35iT 是西門子公司的一個便捷的即插即用解決方案。作為一個終端產品它內置了TC35 無線模塊，集成了標準的RS232 接口以及SIM 卡，可以在PC機上用AT 命令通過串口對它進行設置。這使它成為在聲音和數據通訊上通用的一個GSM 雙頻終端產品，可以快速地應用到產品開發上，同時也可以作為產品的一個組成部分和產品結合在一起。在遠程通訊和現場監控等諸多無線通訊領域TC35T 將會給工作帶來極大的便利。TC35 支持EGSM900 和GSM1800 雙頻;支持數字、語音、短消息和傳真;采用電路交換最高速率為14.4kbps;支持電壓范圍:8 ～30V，低功耗;采用工業接口;標準協議的認證采用GSM Phase2/2 +標準;體積:65mm×74mm×33mm。

監控軟件同下游檢測節點的交互通過AT 命令實現對GSM 模塊的基本操作，上位機監控軟件和下游檢測節點有約定好的協議，用于發送短信的AT 命令，如表1所示［1］。具體協議、短信讀取、刪除可參見下面程序:

在實際的編程中為了方便，用十六進制分析下面例程，也更偏于底層檢測節點與TC35 的通信程序設計:

表1 發送短信使用的AT 命令

發送短信可用文本模式和協議數據單元模式(PDU，protocol data unit)。大多手機不支持文本模式，只支持PDU 模式。PDU 模式是把短信正文經十六進制編碼后再傳送，其編碼總體上分為三個部分:服務中心號、接收方手機號、短信內容，如“你好”短信PDU 編碼是這樣的(其中xyz 是手機號具體數字):

0011000B8131258698 yxFz000801044F60597D，其意義如表2所示。

3 電子地圖設計

使用二維BMP 圖片，將本區域管道的大致走向標出。同時使用ACCESSS 數據庫，將所有檢測點的具體位置和編號保存在數據庫當中，上位機從串口中讀取報警模塊的編號和控制字，然后與數據庫進行對比，進而知道報警檢測模塊的具體位置和報警類別。

表2 發送數據分析

4 程序模塊和數據庫

監控軟件的設計分為六個子窗口、一個母窗口和一個全局變量。無論收到數據還是發送指令都要用到串型端口，在監控軟件設計方案中就是MSComm 控件。數據庫(名稱為db1)主要由data，renyuan，state，zhongduan 四個文件構成。

系統連接測試模塊(Form1testing)主要完成串口的工作狀態或是否占用，測試GSM 模塊是否異常，TC35 模塊內存的初始化等功能，使用AT 指令很容易實現。

報警人員信息模塊(Form2setalarmtel)主要完成收警人員的信息錄入和刪除，使用ADO 控件實現和ACCESS 數據的連接，使用DATAGRID 控件完成人員信息的顯示。

無人值守模塊(Form3auto)實現自動監測報警信息，并進行聲光報警，然后轉發有警信息給相關人員。程序流程圖如圖4所示。

數據請求模塊(Form4dataask)實現對網絡下游節點的訪問請求，查看檢測節點是否故障。

終端設備模塊(Form5terminal)實現對下游節點信息的增加和刪除。使用的控件有CommandButton，Adodc，DataGrid，TextBox，Label。

圖4 自動監測模塊流程圖

報警歷史查詢模塊(Form6see)實現對報警信息歷史的查詢，使用的控件有:CommandButton，Adodc，DataGrid。

開機環境模塊(MDIForm1)即母窗口實現功能選擇，界面切換，時間和日期等。

5 試驗及總結

5.1 軟件可行性試驗

在沿管道布設的檢測節點軟件內部我們可以設置預警信號的頻率范圍。檢測節點主要由緊貼管道壁的加速度傳感器、處理器、GSM 模塊、高能蓄電池組成。信號處理算法位于下位機節點的處理器當中。測試節點布局圖如圖5。

圖5 節點布局圖

敲擊測點1，測量點為0 點，觀察不到敲擊后的信號。原因分析:①傳感器安裝點距離泵房墻根僅有2 m，現場有很大的噪音干擾。泵房內輸油泵及電機的振動幅值遠大于經過數百米衰減之后敲擊激勵信號的幅值，激勵信號被完全淹沒，故在時域信號中無明顯響應;②錘擊點和測量點不在一條直線上，信號不是直線傳輸，彎曲傳輸影響到信號的衰減。上位機監控軟件不涉及信號處理算法，這里我們只關心時域部分所給信號的頻率，現場幅值由于外界環境和傳輸介質，我們不作為判斷依據。我們選擇了100M ～900M 的敲擊頻率。同時考慮地脈動信號圖譜。對于地脈動信號系統有很好的過濾性能。同時對100M ～900M 報警準確。

5.2 方案總結

本方案設計的基于GSM 無線管網的安全預警系統，克服了大量其它無線傳輸方式傳感器節點組網路由優化的要求，又克服了采用其它無線方式和混合方式協議復雜且無線拓撲結構復雜等缺點。同時，無人值守監控界面簡單直觀，帶有聲光報警和短信通知報警，達到了良好的效果，但是多傳感節點信息融合、信息的智能判斷和局部網絡最大容量問題需繼續研究。

［1］求是科技.Visual Basic 串口通信工程開發實例導航［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［2］董紅政.基于MSComm 控件實現串行通信的方法［J］.微計算機信息，2007，9(23):145-147.

［3］李煌.基于VB 的自動化測試系統的研究與設計［J］.計算機應用，2007，12(27):239-241.

［4］盧超.分布式礦井溫度監測系統的設計［J］.煤炭科學技術，2007，12(35):51-54.

［5］AT Command Set Siemens cellular engines version 2.10［S］.Siemens AG，2001.