基于無線傳感器網絡的化工裝備數據采集技術研究

張少鋒

摘要：以往的有線式傳感測控系統有許多缺點，布線復雜且難以維護，難以滿足設備生產運行狀態監測的需求。近年來，無線傳感器網絡技術的不斷發展，應用越來越廣泛。文章提出采用先進的無線傳感網絡技術和計算機測控技術設計一款數據采集系統，該系統結合了網絡傳感技術和化工裝備狀態實時監測技術，擁有更多的傳感器網絡節點，通信能力較強，能夠更好地滿足化工裝備運行狀態監測的需要。

關鍵詞：無線傳感器；傳感器網絡；化工裝備；數據采集

中圖分類號：TP39? 文獻標志碼：A

1 研究現狀

科技正在不斷往前發展，無線傳感器網絡的應用領域與行業也在不斷擴大，從軍事領域逐漸向其他行業擴展，當前不少環境領域、民用領域等都已經運用了無線傳感器網絡。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絡。除此之外，“ZigBee聯盟”也有4家國際知名公司加盟其中，這幾家公司都對ZigBee技術不斷分析與研究。在當前的無線傳感器網絡領域里面，ZigBee技術的優勢較為明顯，如表1所示將短距離通信技術參數對比具體地呈現出來。我國在對無線傳感器網絡有關的理論方面做分析與研究時，主要是中國科學院和相關的商業公司以及科研機構進行分析。在無線傳感器網絡安全協議方面，我國科學院也獲得了更多的成果。

2 基于WSN的監測系統框架

通常所說的化工裝備包括換熱器、反應釜等，這類化工裝備的工作介質具有以下這些特征：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。如果這些設備的安全性產生了破壞，就會有嚴重的事故發生，不光是工作人員的財產，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，能夠擁有實時監測的設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備狀態監測和故障診斷技術作為基礎，提出的一種鑒于無線傳感器網絡的化工裝備運行狀態數據采集與監控系統，該系統主要是由幾個部分所組成，包括：有線數據傳輸、現場數據采集、遠程服務等。

數據采集部分最大的作用在于轉化信號，這里的信號通常是設備狀態監測點，主要的任務是將物理信號改變成數字信號，在該系統中，數據采集功能要想順利被達成，需要用到無線傳感器節點，而這些傳感器節點要想運行則需要用到各種傳感器，這些傳感器能夠對數據信息有所感知、監測以及采集；當運用無線數據傳輸時，實際上就是將采集到的數據信息做了傳輸，傳輸的兩端分別是傳感器以及匯聚節點（Sink Node）［1］。在該系統里面，用來對無線網絡的數據信息做匯集的網關設備其實是EMBV210實驗平臺，然后將收集到的數據信息做轉化，讓其成為數據包，而這個后生成的數據包其實是符合TCP/IP協議的，隨后再將這個數據包直接輸送到檢測中心位置的服務器以及上位機中，而這個輸送的網絡是有線以太網；當使用監測中心上位機以及數據服務器時，通常使用到以下兩個軟件，一個是數據庫軟件，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監測設備得以順利開發，這樣就能夠將所有需要被監測的數據信號有所分析以及處理，而且最終的處理結果能夠以文字、數字或圖形的方式呈現出來，便于管理人員實時監測，也有利于管理人員對過去的記錄進行查詢，這樣當設備因為意外原因而發生故障時，還能有數據作為依據支撐；遠程服務需要用到網絡，通過網絡共享的方式，可以把本地檢測中心服務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，這樣就能夠讓設備具備實時監測的功能與作用，而且如果設備出現了故障，也能夠遠程診斷以及遠程決策［2］。

3 SCADA-CERCWSN系統網絡節點分類

在分簇的層次性網絡中，整個網絡被區分為若干個簇（Cluster），每個簇由一個簇頭節點（Cluster-head）和眾多簇成員節點（Cluster-member）構成。數據采集這部分通常是簇成員節點來負責的，然后這些數據會直接轉發到簇頭節點，而轉發的方式通常是多跳的通信方式。當簇頭節點將這些數據接收之后，這些數據會被冗余處理以及數據融合，隨后發送到Sink節點。簇頭節點擁有一項功能叫數據融合，當運用這項功能后，網絡里面轉發的冗余數據就會減少，最終數據通信量將會相應減少，能量也能被相應節約［3］。與此同時，網絡的復雜情況也會被層次化結構而降低，這樣簇就能更易于重建。所以，如果光從功能區別的方向看，無線網絡節點可以被分成3個類型，一是Sink節點，二是簇成員節點，三是簇頭節點。企業的通信網絡結構如果按照功能目標（生產過程、監測系統等）來分，能有3個層次出現：車間級、企業級以及現場級。按照上面的層次來劃分，本文所提及的通信設備能夠被分成兩大類：一類是車間級網關節點，另一類是現場級無線傳感器節點。

3.1 現場級無線傳感器節點

一般情況下，當應用不一樣時，傳感器網絡節點也擁有不一樣的結構，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提供出來；傳感器模塊對數據信息做采集以及轉換；無線射頻模塊主要用來和周邊的節點做無線通信，并對采樣的數據進行發送與接收，最終順利讓信號能轉換等［4］；而微處理器模塊能操作所有的節點，常用的操作形式有：對網絡協議進行運行、對收集到的數據有所存儲并處理等。

3.2 車間級網關節點

想讓WSN和基礎網絡聯系起來，讓收集到的數據信息做分析以及處理，就必須要擁有網關設備。不過，在當前擁有的基礎網絡里，例如CDMA與GPRS中，上行數據傳輸的速率并不高。由于當使用有線以太網時，其上行的速率最大能夠到達100Mbps，所以通常所選擇的基礎網絡是有線以太網，因為運用了該網絡能讓監測中心的服務器以及上位機里面的數據在進行交換時得以被WSN網絡順利監測。

當數據信息在以太網中做交換時，和WSN的主要聯系就是網關。網關通常有以下幾大模塊：WNS射頻通信模塊、Internet數據通信模塊以及數據處理與控制模塊［5］。而Internet數據通信模塊不但需要向上轉發數據給上位機，還需要向下轉發上位機。從這里能夠得知，網關需要對數據量處理，而且數據量特別多，而且還要對TCP/IP協議有所支持，需要擁有更多的能力。不過網關通常都是有線連接，所以在能耗方面限制并不嚴格。

4 現場級節點通信能力分析

4.1 路徑損耗與通信能力分析

對于無線傳感器網絡的所有節點來說，節點的通信能力與系統的特性以及生產環境有一定的聯系。當受到這些因素的影響時，無線傳感器網絡在傳輸時會產生路徑損耗，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為兩節點之間的距離（m）。自由空間路徑損耗是f和d的函數，要想讓網絡節點之間擁有可靠的通信，其中的關鍵點就在于部署節點的合理性以及對工作頻率的選擇情況。不僅如此，如果在相同的區域或者是設備里將很多類型相同的節點放置在一起，就能夠運用節點本身的性質來發現相鄰節點以及發現路由的事項自動完成，讓網絡順利運行，讓網絡的抗毀性以及對數據信息的傳輸實時性得以提升［6］。

4.2 節點電容量與通信能力分析

鑒于無線傳感器網絡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。節點的能量消耗與通信距離的關系可定義如下：

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據編碼、調制等過程的能耗，k為傳播損耗系數，n 為傳播損耗指數。考慮多方面因素，參數n一般取3，也就是說，能耗和距離的三次方是能夠映現正比的，因而，當距離不斷增添時，能耗也會相應隨著加多。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，還要對工業環境對信號衰減的作用與影響做考慮。

5 結語

文章將無線傳感器網絡技術運用到化工裝備運行狀態數據采集與監控系統中，并提出了以無線傳感器網絡替代，在這個基礎上創設了鑒于無線傳感器網絡的化工裝備數據采集與監控系統整體架構，分別剖析了這個架構中不同組成部分的用意及達成的策略，實現對于監控化工裝備運行的狀態和相關數據進行采集和傳輸的目的。在后續相關研究中，筆者還將在擴展系統功能、集成系統功能模塊、改善和穩定系統性能等方向上進行重點探究。

參考文獻

［1］趙金蘭，李婭，岳慶玲，等.無線傳感器網絡技術的應用及前景分析［J］.江蘇科技信息，2021（35）：51-53.

［2］彭能松.無線傳感器網絡異常數據檢測算法研究［D］.泉州：華僑大學，2019.

［3］施曉斌.無線傳感器網絡中的數據質量問題研究［D］.福州：福州大學，2018.

［4］劉龍庚.大數據環境下無線傳感器網絡關鍵技術研究［D］.成都：電子科技大學，2017.

［5］王巖.無線傳感器網絡數據分發與收集的信息安全研究［D］.上海：華東師范大學，2017.

［6］石魯生，朱慧博.無線傳感器網絡數據融合技術與展望［J］.物聯網技術，2017（8）：31-33，36.

（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