基于異構網絡的物聯網海洋大氣腐蝕加速實驗平臺

李華峰，劉炎，徐凱，張濤，朱嘉明

1 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205

2 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074

3 船舶與海洋工程水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074

0 引 言

物聯網 (IoT)是數字創新專家Gates[1]提出的概念，物聯網描述了一個幾乎所有東西都能以智能方式連接和交流的世界，它能將物質世界變成一個大的信息系統。如今，物聯網不僅在工業生產中提升了企業管理效率，也在可穿戴設備、環境監測、虛擬現實設備、智能家居、智能出行、智能監控、物流管理和公共服務等當下最熱的應用場景下開花結果。相較于陸地上物聯網應用遍地開花的景象，海上石油鉆井平臺、各式船舶等海上設施卻未能及時應用先進的物聯網技術，這主要是由于以下原因：1）海洋環境惡劣，陸上設備無法直接用于海洋環境；2）海洋環境不利于通信傳輸；3）船用條件復雜且工況惡劣，如船上金屬構件及管路對信號的屏蔽效應，濕熱、鹽霧、搖擺、振動工況等。

目前，海上設施監控大多是基于數據采集與監視控制系統（SCADA）實現，但這些系統存在明顯的局限性，如布線困難、損壞的設備難以更換、系統成本昂貴、靈活性和伸縮性較差、外網隔離的有線通信方式的運維難度較大，并且數據傳輸有較長延遲[2-3]。而物聯網是SCADA的自然延伸和發展。基于物聯網的遠程監控系統可以大大降低企業的硬件和系統成本，且云服務無需進行軟件許可和升級；由于所有數據都存儲在云端，若業務改變，所需要的部分硬件和軟件也可由云服務彈性增減，具有很大的靈活性和伸縮性[4]。隨著無線通信技術的發展，可靈活采用有線、無線混合的方式，在降低網絡建設成本的同時，也降低了維護成本。更重要的是，物聯網可從每個業務流程中收集和存儲數據，結合大數據處理和機器學習算法來預測效率和結果，從而能夠最小化設備的突發故障，預測維護需求，并從現有資產中獲得更高的收益[5-6]。

與SCADA 系統的傳輸網絡相比，物聯網的傳輸網絡是以無線網絡為主構成的異構網絡[7]，其種類繁多，包括無線個人局域網（WPAN）、無線局域網（WLAN）、無線鄰域網（WNAN）和無線廣域網（WWAN），他們各具特色，適用場景不同[8]。但隨著多個科技巨頭在搶占全球通信的先機上發力（如Facebook 打造的以無人機、衛星和激光技術組合的全球通信項目[9]，以及我國航天科技集團研制的鴻雁衛星星座通信系統[10]），未來海上通信將會是另一番景象。

此外，金屬建造而成的海上設施廣受腐蝕侵害。海洋腐蝕環境可分為海洋大氣區、浪花飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區5 個腐蝕區帶。金屬腐蝕程度除受自身材質特性影響外，也因氧氣濃度、光照強度、干濕交替程度、氯離子濃度、pH 值、溫濕度以及浪花沖擊等多種環境因素影響。腐蝕造成的海上設施結構件的失效和破壞往往引起巨大的人員傷亡和財產損失。發達國家因腐蝕造成的損失可占國內生產總值（GDP）的2%～4%，其中，三分之一是由水環境造成的[11]；我國2014 年一年由海洋腐蝕帶來的經濟損失就達7 000 億元。因此，腐蝕研究具有重要意義。但腐蝕是個日積月累的過程且發生在海上，這給研究人員帶來了不便，因此需要一種能對腐蝕信息進行遠程實時監測的系統。

為探究基于異構網絡的物聯網技術應用于海上設施遠程監測的可行性和有效性，本文將搭建模擬海洋大氣鹽霧腐蝕環境的腐蝕加速實驗平臺和模擬海洋環境下通信的異構網絡，對腐蝕發生情況和腐蝕信息進行基于物聯網的遠程實時監測。

1 總體架構設計

基于異構網絡的物聯網腐蝕加速實驗平臺作為物聯網的一個應用，其由感知層、網絡層和應用層組成。感知層用于對關鍵參數進行數據采集，網絡層通過一種或多種網絡組成的異構網絡提供數據傳輸的鏈路通道，應用層則是對數據處理后的展示以及對系統的信息管理。

腐蝕加速模擬系統選擇最為常用的鹽霧試驗法，用于模擬海洋大氣腐蝕環境，作為物層或者現場層，其主要由鹽霧試驗箱、空壓機和一些輔助器件組成。基于此，設計了一種基于異構網絡的物聯網遠程監測系統，其總體架構如圖1 所示，圖中WebApp 為基于萬維網的系統與應用。

圖1 腐蝕加速實驗平臺總體架構Fig. 1 Overall structure of accelerated experimental corrosion platform

網絡拓撲結構是指用傳輸媒體互連各種設備的物理布局。常見的拓撲結構主要有星形結構、環形結構、分布式結構、網狀結構、蜂窩狀結構、混合型結構等。船上常用的結構是環形網狀結構，能夠有效簡化路徑選擇，但環路封閉，不便擴充，1 個節點故障會造成全網癱瘓。未來發展趨勢多為網狀結構或蜂窩狀結構，各節點通過傳輸線互聯起來，每個節點至少與其他2 個節點相連，能有效解決環網結構的弊端，但也會帶來管理復雜、費用高的缺點。

在船舶或者海洋平臺中，因存在許多金屬水密隔艙，隔艙之間的無線網絡無法傳輸，故需要結合有線網與無線網來有效傳遞信息。在單個艙室之內使用無線方式傳輸，在艙室之間使用有線方式傳輸。

首先，由感知層采集主要腐蝕發生環境參數和腐蝕參數。其中，前者包括溫度、濕度、大氣中氯離子濃度和pH 值，后者包括腐蝕速率、已腐蝕量和腐蝕余量[12]。因傳感器種類及數目較多，故選擇目前廣泛使用的RS-485/Modbus 遠程終端單元（RTU）工業現場總線。然后，通過靈活多變的由以太網、ZigBee 無線傳感器網絡、LoRa 無線低功耗廣域網和無線通信技術（WiFi）局域網構成的異構網絡將感知數據傳輸至應用層。最后，在應用層對數據進行存儲和分析，并經過web 應用程序進行人機交互。為了體現物聯網的遠程便利性，可以利用以太網傳輸相關數據信號，通過路由器連接互聯網，從而實現遠程實時監控。

該基于異構網絡的腐蝕加速實驗平臺具有如下特點：

1） 采用RS-485 現場總線將傳感器組織管理起來，使用以太網、ZigBee 網、LoRa 網以及WiFi構成的無線/有線通信異構網絡來代替海上設施傳統的有線連接方式。異構網絡通過透傳方式實現Modbus RTU 的數據傳輸。

2） 采用web 應用程序進行數據發布及人機交互，實現設備運行狀況的實時監測，并允許多人多地通過有線或無線終端并發訪問。

2 感知層設計

感知層采集影響腐蝕效果的關鍵環境參數和反映腐蝕情況的主要參數，對其要求為：1）由于直接暴露在腐蝕環境下，會對電路產生一定的影響甚至損壞傳感器設備，因此要求傳感器有一定的防護措施，并在此基礎上實現穩定、高效的數據采集；2）所采集的數據能滿足一定的精度要求；3）有本地數據存儲功能，以防意外情況發生導致上層設施毀壞后，可提供生產數據的備份以備查閱；4）滿足一定的經濟性要求。

基于以上需求選擇了傳感器：由TH10S-B-PE溫濕度傳感器采集環境的溫濕度數據，MIK-PH2.0 pH 計 和SJG-3 083 型 氯 化 鈉 濃 度 計 采 集 溶 液的pH 值和氯離子濃度，CST480AS 腐蝕儀采集腐蝕信息，他們均采用RS-485 接口并支持Modbus RTU協議。傳感器在鹽霧試驗箱中的布局設計如圖2所示。由于感知層采集的腐蝕發生環境參數是鹽霧的相應參數，而鹽霧是由一定pH 值、氯離子濃度的鹽溶液撞擊鹽霧箱擋板破碎為細微的小液滴形成的，因此可直接由測量的鹽溶液的pH 值和氯化鈉濃度代替腐蝕發生環境的pH 值和氯離子濃度數據。溫度、濕度和腐蝕參數則通過置于被測試樣附近的傳感器測得，以保證與試樣環境以及腐蝕情況盡可能一致。

圖2 傳感器布局圖Fig. 2 Layout of sensors

如圖1 所示，本平臺中監測的溫度、濕度、pH 值與氯離子濃度，能夠反映環境中的腐蝕速率、腐蝕余量、已腐蝕量。即3 個腐蝕狀態監測參數是4 個環境監測參數的因變量。因此針對不同的適用場景或監測對象，只需改變相關的環境參數，就能得到對應的腐蝕狀態，有一定的普適性。腐蝕加速設備是為了加快腐蝕進度，縮短實驗時間，盡快觀察得到實驗現象而設立。

3 網絡層設計

網絡層作為數據鏈路通道，應具有較高的傳輸速率和穩定性。為實現對海上環境通信網絡的模擬，網絡的組建要充分考慮海上環境的特點，主要有以下幾方面：

1） 在滿足通信要求的情況下功耗應盡可能低，比如在使用電池供電的條件下，通信設備的使用時長應達到數年甚至數十年；

2） 船舶或者海上設施一般遠離陸地，且監測現場一般不便于布線，陸地上常規的有線傳輸網絡在此環境下難以很好地完成數據傳輸任務，應盡量選擇無線通信方式；

3） 有些海上設施局部監測點和監測參數眾多，具有眾多的艙室隔斷和金屬管路，且監測點之間的障礙物較多，使用一般的無線傳輸網絡會使數據傳輸產生時延甚至信號中斷，這種情況下分布式的低功耗無線傳感器網絡較為合適，如對海上石油鉆井平臺的監測；

4） 有些監測點在空間上分布較分散，需要部署長距離、低功耗無線網絡，如對海上風電場的監測；

5） 在無法實現無線信號傳輸的金屬艙室中，可以采用以太網穿艙設計，實現穩定可靠的異構網絡布局。

ZigBee，ISA100.11a 和WirelessHART 這3 種無線傳感器網絡技術，均可提供可擴展、自組織的短程無線網絡，并具有多跳尋址功能，這種傳輸過程具有在遇到障礙物時會依據一定的算法通過其他節點繞過障礙物，從而到達目標節點的特性，令其在滿是金屬構件或障礙物較多的場所具有一定優勢。相比于ZigBee，用于過程自動化的無線網絡WirelessHART 和ISA100.11a 具有更好的抗干擾性、更高的安全性和更低的功耗[13]。WiFi是當前廣泛使用的WLAN 網絡，其成本低廉、組網簡單。LoRa，NB-IoT 和衛星通信是WWAN 網絡的代表，前兩者均可進行低功耗、遠距離的通信，它們甚至是物聯網在遠距離無線通信的兩大競爭者，但在海上通信方面，NB-IoT 因傳輸數據量少、衛星通信時延高而處于劣勢。

在基于異構網絡的物聯網腐蝕加速實驗平臺系統實現過程中，受成本限制，異構網絡除了以太網部分之外，選擇ZigBee 作為無線傳感器網絡、LoRa 作為無線低功耗廣域網，并采用WiFi 組建局域網，將ZigBee 網關和LoRa 網關接入此局域網，以便將網關處的感知數據傳輸到該局域網服務器，網絡層通信架構如圖3所示。船舶用電設備很多，為了減少布線以及可能由電線帶來的安全隱患，數據傳輸應當使用無線網絡。考慮到船上到處都是金屬物，且空間布局較為緊湊，易對信號造成干擾，因此緊鄰現場的通信設備需具有較強的信號強度以及多跳尋址功能。同時由于現在的船舶噸位較大，部分終端節點與網關節點之間的距離較大，此時應使用低功耗且傳輸距離較遠的無線傳輸方式。ZigBee 是一種短距離內的網狀傳輸網絡，其在船艙內大量分布時，能在自身作為感知層接受傳感器信息的基礎上，作為信息傳輸介質，有效解決機艙環境下有線網絡排布困難或者無線信號屏蔽的問題。LoRa 作為無線低功耗廣域網，在近岸時可作為陸地監控傳輸的解決方案。在工業應用中，作業環境和要求往往更加嚴苛，通常使用ISA100.11a 或WirelessHART網絡來代替以上方案。Modbus 是一種串行通信協議，已經成為工業領域通信協議的業界標準（De facto），是工業電子設備之間常用的連接方式。Modbus RTU 是一種緊湊的、采用二進制表示數據的串行通信方式。RTU 格式后續的命令/數據帶有循環冗余校驗的校驗和，而ASCII 格式采用縱向冗余校驗的校驗和。被配置為RTU 的節點不會和設置為ASCII變種的節點通信，反之亦然。由于Modbus 協議采用主從方式進行通信，因此每個傳感器都將Modbus 地址作為標識。ZigBee 和LoRa 網絡中各節點也以不同的節點地址作為標識。傳感器采集到的數據以RS-485/Modbus RTU 的方式傳遞到ZigBee 終端或者LoRa 終端，ZigBee 終端接收數據后通過多跳尋址直接或者間接地將其傳遞給ZigBee 網關，LoRa網絡不可多跳尋址只能將接收到的數據直接從終端傳遞給LoRa 網關，最后通過WiFi 路由器將ZigBee 網關和LoRa 網關接收到的數據傳輸到服務器。由于應用程序在WiFi局域網服務器上運行，同處于該局域網中的用戶設備可通過輸入服務器的LAN IP 地址訪問應用程序，而處于WiFi局域網外的設備可以通過外部的云端服務器，讀取相關的實驗數據。各網絡的參數設計和WiFi路由器的端口映射參數配置如表1 所示。

表1 異構網絡信息Table 1 Heterogeneous network information

圖3 傳輸層通信架構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of transport layer communication architecture

4 應用層設計

應用層主要以web 應用程序的方式對數據進行可視化展示和信息化管理。應用程序的結構如圖4 虛線框所示（圖中DIO 為數字輸入/輸出，AIO為模擬輸入/輸出，ODBC 為開放數據庫互聯），主程序模塊連接到各功能子程序，引入數據庫可以讀取相關數據，同時連接通信模塊，能夠實時顯示相關數據。應用層數據流如圖5 所示。來自網絡層的數據通過IP 地址定位到位于WiFi 局域網中的服務器，并通過端口號和服務器上虛擬出來的串行通信端口(COM 口）以及OPC Server 存儲到SQL Server 數據庫中。在軟件集成開發環境中將Springboot 和Mybatis 整合，二者集成能減少不必要的參數配置工作，節省開發時間，同時引入Mybatis 對數據庫數據進行映射，便于對數據進行操 作。接 著 創 建Controller，Service 和Mapper 三層服務，編寫HTML 文件并將Ajax 和Echarts 整合其中，實現對網頁的動態刷新和曲線圖的二次開發。當確認所開發和調試的源文件無誤后，將其壓縮成war 包并部署在Tomcat web 服務器上作為web 應用程序進行發布，當web 應用程序運行時，通過SQL Server Driver 驅動連接到數據庫，數據通過瀏覽器以網頁方式進行可視化展示。

圖4 應用程序結構Fig. 4 Application architecture

圖5 應用層數據流圖Fig. 5 Diagram of application layer data flow

web 網頁的各部分設計如圖6 所示，腐蝕信息概覽部分給出了實驗平臺的信息，包括實驗平臺所處位置及建設目的等，此外也以曲線圖的形式展示了腐蝕發生環境數據和腐蝕數據。實驗系統架構部分介紹了實驗平臺的系統組成，并對一些重要信息提供了可下載的PDF 文件以供詳細了解。數據表格部分則是以表格形式展示傳感器采集到的歷史數據，豐富了對數據的展示形式。由于時間限制，未能完成報警信息和報告2 部分內容，這是后續的開發工作。

圖6 web 網頁各部分設計圖Fig. 6 Diagram of design for each part of the web pages

5 實驗設計及結果分析

為了驗證腐蝕加速模擬系統的加速腐蝕效果和異構網絡的數據傳輸穩定性，使用船舶常用的Q235 鋼作為實驗試樣置于腐蝕加速模擬系統中，模擬船舶在海洋大氣環境中的腐蝕現象，并將同處于腐蝕模擬系統中的Q235 腐蝕探針感知到的腐蝕數據視為試樣腐蝕數據和船舶鋼板腐蝕數據。此外，考慮到船舶生產活動現場的復雜性和危險性，同時也為了便于日常管理和維護以及減少安全隱患，宜將各網絡設備置于電氣柜中。鹽霧腐蝕實驗箱和各電氣柜如圖7 所示。

圖7 鹽霧腐蝕實驗箱和電氣柜Fig. 7 Spray corrosion test chamber and electrical cabinets

實驗前、后的Q235 腐蝕探針和Q235 試樣變化如圖8 所示。由圖可見，Q235 鋼經過鹽霧實驗[14]，表面已銹跡斑斑，腐蝕嚴重。從ZigBee 終端接入的腐蝕儀數據信號和從LoRa 終端接入的pH 計數據信號經過異構網絡的無線傳輸，會出現極短時間的通信質量差（通信數值為0 表示通信中斷，通信數值為32 代表通信質量差，通信數值為192代表通信質量良好）和通信中斷，其他時刻的通信質量都為優，這說明由以太網，ZigBee，LoRa 和WiFi 構成的模擬海上設施通信場景的異構網絡具有可行性和有效性。Q235 鋼在加速腐蝕系統中的平均腐蝕速率達到了515 μm/年左右，與汪川等[15]在我國海南萬寧實驗站海洋大氣環境下測得的Q235 鋼509.48 μm/年的腐蝕速率相近。

圖8 實驗前、后的Q235 腐蝕探針和Q235 試樣Fig. 8 Q235 corrosion probe and Q235 sample before and after the experiment

6 結 論

本文采用由以太網、ZigBee 無線傳感器網絡、LoRa 遠距離低功耗無線廣域網和WiFi 局域網構成的異構網絡和物聯網技術搭建了模擬加速腐蝕實驗平臺，并開發了基于web 應用程序的遠程監測系統。由腐蝕加速模擬系統作為現場層來模擬海洋大氣腐蝕環境，通過感知層的多種傳感器采集主要的腐蝕環境和信息參數，感知數據經由異構網絡層傳輸到應用層，最終以WebApp 的形式對數據進行分析和可視化呈現。鹽霧實驗結果證明了異構網絡數據傳輸的可行性和有效性，展示了腐蝕加速模擬系統的腐蝕效果以及基于web 網頁的數據可視化效果。

此外，實現本平臺的方案和技術都來自于當下應用廣泛并在一定程度上代表未來趨勢的標準工業化設備、儀器以及軟件解決方案，具有較高的可移植性。受時間限制，WebApp 的報警信息和報告部分暫未開發，會在后期的工作中完善。