CN100390829C - 基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测*** - Google Patents

基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测*** Download PDF

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Abstract

基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***，属于工业设备远程监测与故障诊断领域。***包括：安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点(1)、对数据进行中继传输的骨干节点(2)、收集数据并将数据汇入企业内部网的网关(3)。根据不同的应用需求，以骨干节点、传感器节点或者网关作为簇头生成现场级数据采集簇的过程以及簇内节点向簇头进行无碰撞数据传输的过程。本发明的优点在于：克服了传统有线数据采集方式安装和维护成本高、恶劣环境下难以采集数据的困难，利用无线通信技术和嵌入式技术，实现了一种维护成本低，安装方便，适应环境广泛的无线数据采集方式。

Description

基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***
技术领域
本发明涉及大型流程工业设备远程监测与故障诊断技术领域，特别是提供了一种基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***。
背景技术
随着电子技术的发展，信息化和自动化技术已经成为提高企业竞争力和经济效益的重要手段，成为企业参与国际竞争的技术保证，基于网络技术的大型流程工业设备远程诊断技术是企业重点生产设备实现自动化和信息化的一个重要方面，开展大型流程工业设备远程诊断***的研究开发将有利于提高我国大型设备管理现代化；有利于降低设备的维修成本；有利于确保设备零故障安全运行；有利于建立产品质量的保证体系，最终提高企业在国际竞争中的地位和企业可持续发展能力。
大型流程工业设备远程监测与故障诊断***实质上是基于Internet和Intranet的多层分布式***。***可以分为三级，即：现场级、代理级和远程级，不同的用户根据其需要获取不同的数据和对象服务。为了完成现场级监测数据的采集，通常需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络，其设备建设和维护成本很高。对于环境要求苛刻的场合，如旋转部件、油库等，由于布线、供电困难，往往难于监测数据。
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。目前，将无线传感器网络技术用于实际应用的专利有：
2006-5-24公开的专利：CN200510126233.7，题目：《基于无线传感器网络的微量***物监测***、装置及方法》，发明人：崔莉；蒋理。该发明所涉及的***由监控管理中心、监控基站和网络节点构成。监控基站一方面通过有线方式和主控计算机进行通信并能接入骨干网络，同时以无线方式和网络节点进行通信，构成无线动态监测网络。无线节点内具有微型固态***物化学传感器和无线通信设备，可以完成化学成分检测、节点定位、节点运动等功能。监控基站使用有线通信与无线通信相结合的方法，将采集的来自节点的数据信息传输至骨干网络上的监控管理中心。该***可以在不同规模的公共场所和特殊需求场所进行对微量***物的监测、危险源定位、报警等，有利于面向公共安全的预警工作。
2005-6-29公开的专利：CN200410009853.8，题目：《基于无线传感器网络的医疗监护***、装置及方法》，发明人：赵泽；苗勇；崔莉。该发明所涉及的***在人体周围由监护基站设备和生物医疗传感器节点构成第一层网络；在第一层网络、普通网络之间由监护基站组成第二层网络；通过Internet互联网组成社会联动的第三层网络。可广泛应用于家庭医疗监护或医院医疗监护以及社区医疗、多社区联动及整个社会联动的应用场合。
2005-11-09公开的专利：CN200510071144.7，题目：《一种基于无线传感器网络的井下定位***、装置及方法》，发明人：崔莉；蒋理。该发明所涉及的***由内置于矿灯内的带定位的移动节点、连接有线和无线网络的网关、***管理中心。可广泛应用于各种矿井的井下工作人员或移动设备的精确定位。日常工作的人员调度指挥、安全监督、考勤。当意外事故发生后，依靠定位***对人员的精确定位以及遇难人员的位置历史记录信息，能加快事后救援进度，减少事故造成的损失。
2005-7-07公开的专利：US2005/0145018A1，题目：《REMOTE MONITORING OFPIPELINES USING WIRELESS SENSOR NETWORK》，发明人：Ashok Sabata，Sea Bright，NJ(US)；Sean Brossia，San Antonio，TX(US)。该发明将无线传感器节点安装在管道内部，其目标是监测管道，指出管道需要维护和修补的位置。
本发明将无线传感器网络技术用于大型流程工业设备的现场级监测数据的采集，克服了传统有线数据采集方式安装和维护成本高、恶劣环境下难以采集数据的困难，利用无线通信技术和嵌入式技术，实现了一种维护成本低，安装方便，适应环境广泛的无线数据采集方式。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***，整个***不需要铺设专用数据传输电缆，周期性地采集设备监测数据，通过无线方式发送到设备远程监测与故障诊断***的代理级。
本发明包括：安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点1、对数据进行中继传输的骨干节点2、收集数据，针对数据作故障分析并将分析后的数据汇入企业局域网的网关3。根据不同的应用需求，以骨干节点、传感器节点或者网关作为簇头生成现场级数据采集簇的过程以及簇内节点向簇头进行无碰撞数据传输的过程。
在设备周围放置骨干节点2，无线传感器节点1在启动后通过调节发射功率选择距离最近的骨干节点2作为父节点。在所有传感器节点选择父节点的过程结束后，形成以骨干节点2为簇头的现场级数据采集簇。也可以根据设备的分布情况，由网关指定安装在设备上的无线传感器节点1组成一个现场级数据采集簇，按照传感器节点号的不同，由簇内传感器节点轮流担任簇头。还可以直接由网关3作为簇头，其它所有的无线传感器节点1作为簇内节点，组成数据采集簇；当数据采集簇形成后，通过协商或由网关3分配的方式，确定每个数据采集簇的采集时隙。在每个采集时隙内，无线传感器节点1向该簇的簇头无碰撞地传输采集到的数据，簇头再将汇集到的数据直接或通过其它簇头的转发，发往网关3；当以网关3作为簇头时，所有的无线传感器节点1直接向网关3进行无碰撞数据传输；网关将接收到数据处理后汇入企业内部网，以便进行远程故障诊断。
安装在被监测设备上的无线传感器节点1包括：CPU、存储器、电池电压监测单元、数据采集单元和射频通信单元。通过外接不同传感器，传感器节点监测反映设备工作状况的信息，例如震动量、温度等，然后将这些信息以无线的方式发出。传感器节点由电池独立供电，具有电池电压监测功能，在电池电压下降到閾值时，电池电压值随其它数据一起被发送，提醒更换电池。
网关3包括：无线设备、计算机、服务器、网络设备以及运行于无线设备、计算机和服务器上的软件。
当现场环境能够方便地提供电源，可以在设备附近安装由外部供电进行数据中继传输的骨干节点2。无线传感器节点1在启动后会通过调节发射功率选择距离最近的骨干节点2作为父节点，在所有传感器节点选择父节点的过程结束后，将形成以骨干节点2为簇头的现场级数据采集簇。通过协商或由网关3分配的方式，确定每个数据采集簇的采集时隙。在每个采集时隙内，传感器节点以TDMA方式向该簇的骨干节点2传输采集到的数据，骨干节点2再将汇集到的数据直接或通过其它骨干节点2的转发，发往网关3。网关3将接收到数据处理后汇入企业内部网，以便进行远程故障诊断。这样形成层次型的异构网络，充分利用现场的供电环境，减小了电池供电的无线传感器节点1的发射功率，另外无线传感器节点1向骨干节点2进行无碰撞传输，这些措施节省了无线传感器节点1的能量。
当现场环境不能够方便地提供电源，不能放置骨干节点2作为簇头节点，则由网关3指定的无线传感器节点1形成一个数据采集簇，簇内的无线传感器节点1根据节点号轮流担任簇头节点，负责收集簇内其它节点的数据，并将这些数据通过其它簇头节点转发或直接发送到网关3。簇内的无线传感器节点1以小功率向簇头发送数据，只有簇头以较大功率发送数据，而簇头由簇内的无线传感器节点1轮流担任，这样可以节省无线传感器节点1的能量。如果无线传感器节点1距离网关3很近，以较小功率就可以将数据发送到网关3，这样无线传感器节点1可以不形成簇，而直接将数据发送到网关3。
本发明的优点在于：克服了传统有线数据采集方式安装和维护成本高、恶劣环境下难以采集数据的困难，利用无线通信技术和嵌入式技术，实现了一种维护成本低，安装方便，适应环境广泛的无线数据采集方式。
附图说明
图1是本发明基于无线传感器网络的工业设备现场级监测***示意图之一。其中，无线传感器节点1、骨干节点2、网关3。
图2是本发明基于无线传感器网络的工业设备现场级监测***示意图之一。
图3是本发明基于无线传感器网络的工业设备现场级监测***示意图之一。
图4是本发明基于无线传感器网络的工业设备现场级监测***示意图之一。
图5是本发明的无线传感器节点***结构图。
图6是传感器节点选择父节点的流程图。
图7是多个传感器节点进行无碰撞数据传输的流程图。
图8是以传感器节点轮流作为簇头进行数据采集和传输的流程图。
具体实施方式
图1是基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***示意图之一。该***包括：安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点1、对数据进行中继传输的骨干节点2、收集数据，针对数据作故障分析并将分析后的数据汇入企业局域网的网关3。无线传感器节点1在启动后会通过调节发射功率选择距离最近的骨干节点2作为父节点，在所有无线传感器节点1选择父节点的过程结束后，将形成以骨干节点2为簇头的现场级数据采集簇。通过协商或由网关3分配的方式，确定每个数据采集簇的采集时隙。在每个采集时隙内，无线传感器节点1以TDMA方式向该簇的骨干节点2传输采集到的数据，骨干节点2再将汇集到的数据直接或通过其它骨干节点2的转发，发往网关。网关将接收到数据处理后汇入企业内部网，以便进行远程故障诊断。这样形成层次型的异构网络，充分利用现场的供电环境，减小了电池供电节点的发射功率，另外无线传感器节点1向骨干节点2进行无碰撞传输，这些措施节省了传感器节点的能量。
图2是基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***示意图之一。该***包括：安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点1、收集数据，针对数据作故障分析并将分析后的数据汇入企业局域网的网关3。同一设备或几个设备上的无线传感器节点1通过网关指定的方式形成一个数据采集簇，簇内的节点根据节点号轮流担任簇头，负责收集簇内其它节点的数据，并将这些数据通过其它簇头节点转发到网关3。
图3是基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***示意图之一。该***包括；安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点1、收集数据，针对数据作故障分析并将分析后的数据汇入企业局域网的网关3；传感器节点1通过网关3分配的方式形成一个数据采集簇，簇内的无线传感器节点1轮流担任簇头节点，负责收集簇内其它节点的数据，并将这些数据直接发送到网关3。
图4是基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***示意图之一。该***包括：安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点1、收集数据，针对数据作故障分析并将分析后的数据汇入企业局域网的网关3；无线传感器节点1以TDMA方式直接将数据发送到网关3。
图5是用于现场数据采集的无线传感器节点1，节点包含了CPU、存储器、电池电压监测单元、数据采集单元和射频通信单元。通过外接不同传感器，节点可以监测反映设备工作状况的信息，例如震动量、温度等，并将这些信息以无线的方式发送出去。节点由电池独立供电，具有电池电压监测功能，在电池电压下降到一定閾值时，电池电压值随其它数据一起被发送，提醒更换电池。
图6是无线传感器节点1选择父节点的流程图。将无线传感器节点1安装在需要监测的设备上，它们会通过不断调整发射功率来寻找距离最近的骨干节点2作为父节点，寻找步骤如下：
步骤S6-1：在监测设备周围寻找可以提供电源的地方布设骨干节点2，骨干节点2的位置和数量要保证传感器节点在发射功率最大的情况下能够与至少一个骨干节点通讯。
步骤S6-2：对无线传感器节点1进行编号，能够确定某个设备是由那些无线传感器节点1进行监测。
步骤S6-3：无线传感器节点1开始以最小的发射功率向周围的骨干节点2发送探询信号，然后等待骨干节点2的回应。
步骤S6-4：如果无线传感器节点1在预定时间内收到至少一个骨干节点2的回应，则无线传感器节点1随机选择一个骨干节点2作为父节点。如果无线传感器节点1在预定的时间内没有收到骨干节点2的回应，则增大发射功率继续发送探询信号，直到收到至少一个骨干节点2的应答。
图7是多个簇内无线传感器节点1向簇头进行无碰撞数据传输的流程图。为了避免信号的碰撞，数据采集簇通过协商或由网关3分配的方式，确定不同数据采集簇的工作时隙。当数据采集簇的工作时隙到来时，簇内的无线传感器节点1以TDMA方式向簇头节点进行无碰撞的数据传输。数据传输步骤如下：
步骤S7-1：数据采集簇中的簇头通过互相协商或由网关分配的方式，确定每个簇头采集数据的时隙，避免簇之间发生数据传输的碰撞。
步骤S7-2：由簇头为簇内的每个无线传感器节点1分配采集并发送数据的时间，避免簇内的传感器节点发生碰撞。
步骤S7-3：无线传感器节点1按照分配好的时隙将数据发送给簇头
步骤S7-4：簇头收集完所有簇内无线传感器节点1的数据后，通过其它簇头作为路由，或直接将数据传到网关3。
步骤S7-5：网关3对收集到的数据作特征值处理，分析设备是否出现故障，并将处理后的数据汇入企业局域网，供远程查询和故障诊断。
图8是以无线传感器节点1作为簇头采集并发送数据的流程图，步骤如下：
步骤S8-1：无线传感器节点1通过网关3指定的方式形成一个数据采集簇。
步骤S8-2：根据节点号由不同的无线传感器节点1轮流担任簇头。
步骤S8-3：簇内无线传感器节点1向簇头进行无碰撞数据传输。
步骤S8-4：数据通过其它簇头节点转发或者直接发送到网关3。
步骤S8-5：网关3对收集到的数据作特征值处理，分析设备是否出现故障，并将处理后的数据汇入企业局域网，供远程查询和故障诊断。

Claims (3)

1.一种基于无线传感器网络的大型流程工业设备现场级监测***，包括：安装在设备上用于采集设备监测数据的无线传感器节点(1)、对数据进行中继传输的骨干节点(2)、收集数据，针对数据作故障分析并将分析后的数据汇入企业局域网的网关(3)；其特征在于：在设备周围放置骨干节点(2)，无线传感器节点(1)在启动后通过调节发射功率选择距离最近的骨干节点(2)作为父节点；在所有传感器节点选择父节点的过程结束后，形成以骨干节点(2)为簇头的现场级数据采集簇；当数据采集簇形成后，通过协商或由网关(3)分配的方式，确定每个数据采集簇的采集时隙；在每个采集时隙内，传感器节点向该数据采集簇的簇头无碰撞地传输采集到的数据，簇头再将汇集到的数据直接或通过其它簇头的转发，发往网关(3)；安装在被监测设备上的无线传感器节点(1)包括：CPU、存储器、电池电压监测单元、数据采集单元和射频通信单元；无线传感器节点(1)通过外接不同传感器监测反映设备工作状况的震动量、温度信息，并将这些信息以无线方式发出；无线传感器节点(1)由电池独立供电，具有电池电压监测功能，在电池电压下降到閾值时，电池电压值随其它数据一起被发送，提醒更换电池。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：无线传感器节点(1)在启动后会通过调节发射功率选择距离最近的骨干节点(2)作为簇头，并向簇头进行无碰撞的数据传输；无线传感器节点(1)寻找距离最近的骨干节点(2)的步骤为：
步骤S6-1：在监测设备周围寻找可以提供电源的地方布设骨干节点(2)，骨干节点(2)的位置和数量要保证无线传感器节点(1)在发射功率最大的情况下能够与至少一个骨干节点(2)通讯；
步骤S6-2：对无线传感器节点(1)进行编号，能够确定某个设备是由那些无线传感器节点(1)进行监测；
步骤S6-3：无线传感器节点(1)开始以最小的发射功率向周围的骨干节点(2)发送探询信号，然后等待骨干节点(2)的回应；
步骤S6-4：当传感器节点在预定时间内收到至少一个骨干节点(2)的回应，则无线传感器节点(1)随机选择一个骨干节点(2)作为父节点；当无线传感器节点(1)在预定的时间内没有收到骨干节点(2)的回应，则增大发射功率继续发送探询信号，直到收到至少一个骨干节点(2)的应答。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于：簇内节点向簇头进行无碰撞传输的步骤为：
步骤S7-1：数据采集簇中的簇头通过互相协商或由网关分配的方式，确定每个簇头采集数据的时隙，避免每个簇之间发生数据传输的碰撞；
步骤S7-2：由簇头为簇内的每个无线传感器节点(1)分配采集并发送数据的时间，避免簇内的无线传感器节点(1)传输数据时发生碰撞；
步骤S7-3：无线传感器节点(1)按照分配好的时隙将数据发送给簇头；
步骤S7-4：簇头收集完所有簇内节点的数据后，通过其它簇头作为路由，或直接将数据传到网关(3)；
步骤S7-5：网关(3)对收集到的数据作特征值处理，分析设备是否出现故障，并将处理后的数据汇入企业局域网，供远程查询和故障诊断。
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