阴极保护数据自动采集系统无线传感器网络通信协议方法技术方案

本发明专利技术是一种阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络通信协议方法，涉及数字信息的传输和管道系统技术领域。本方法采用三层协议架构，从底层到上层依次为：物理射频层、网络层和应用层；所述物理射频层将底层的数据封装成帧结构，把CSMA-CA载波监听冲突避免算法植入其中；所述网络层通过调用物理射频层封装的软件接口实现协议中数据包组建、检索、输入输出控制和网络层发送接收接口函数；所述应用层通过调用网络层提供的软件接口创建能实现各种应用层功能的应用程序接口函数。本发明专利技术能高保障通信，可大幅提升阴极保护数据自动采集系统的工作效率、降低管理成本、保障石油管道运输安全性。

Cathodic protection data automatic acquisition system, wireless sensor network communication protocol method

The invention relates to a wireless sensor network communication protocol method for a cathodic protection data automatic acquisition system, relating to the transmission of digital information and the technical field of a pipeline system. The method adopts three layer protocol architecture, in order from top to bottom in the physical RF layer, network layer and application layer; the physical layer RF data encapsulation bottom frame structure, the CSMA-CA carrier sense conflict avoidance algorithm into them; software interface by calling the physical layer of the package RF network protocol data packet formation, retrieval, input and output control and network layer sending and receiving interface function; application interface function of the software interface of the application layer by calling the network layer to create the application layer to achieve a variety of functions. The invention can ensure high communication, and can greatly improve the work efficiency of the automatic data acquisition system for cathodic protection, reduce the management cost and guarantee the safety of the petroleum pipeline transportation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络通信协议方法，涉及数字信息的传输和管道系统
技术背景由于监测物理环境的重要性从来没有像今天这么突出，物联网已被视为环境监测、建筑监测、公用事业、工业控制、家庭、船舶和运输系统自动化中下一个发展方向。从实现物联网的功能来看，由微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术推动发展的无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)具有非常好的应用前景。无线传感器网络是新型的传感器网络，由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自配置的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发给观察者。其强大的数据获取和处理能力使其得到越来越多的关注。在我国，石油管道运输是国民经济的五大运输方式之一，为保障其安全性和可靠性需定期采集管道上的阴极保护数据用以监测管道的腐蚀状况。现有的数据监控方式仍基本采用人工进行，采集一次数据时间很长，同步性非常差。由于管道运输常常需要跨越偏远、环境恶劣的无人区域，导致人工监测数据的成本高昂、困难多多。同时，由于管道运输覆盖范围非常大，可达上千公里，导致铺设和维护有线数据监测网络的成本和困难难以承担。因此，建立基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集系统是近年来管道运输安全保障系统的发展方向。CN102186258A公开了一种基于线形长距离的无线传感器网络通信协议方法，该方法设计了一种基于线形长距离的无线传感器网络的通信协议方法，主要用来实现拓扑分布为线形长距离的无线传感器网络的保障通信。但在现场应用过程中由于传输环境复杂，干扰较大的影响，丢包率较高，个别节点访问时间过长等不足。无线传感器网络通信协议是阴极保护数据自动采集系统开发的一个重点和难点。在实际开发过程中，现有的无线网络通信协议都因网络拓扑结构复杂、功耗大、成本高、开发周期长等特点无法满足上述管道运输环境的应用需求。基于此我们提出了应用于阴极保护数据自动采集系统的、具有能简化实施工作，降低开发成本，缩短开发周期，降低处理器资源占用等特点的无线传感器网络通信协议方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种适用于石油管道运输应用环境、具有动态路由选择、确认重传、大数据包拆分发送和日志记录回传功能的高保障通信、可大幅提升阴极保护数据自动采集系统的工作效率、降低管理成本、保障石油管道运输安全性的基于阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络通信协议方法。本专利技术给出适用于管道运输应用环境特点的无线传感器网络拓扑结构设计方案。管道运输应用环境的地理特征基本为线形（直线或曲线，无重叠和交叉），其所需节点密度低（一般间隔0.5-1km）、延伸距离长，且管道运输在后期维护时根据实际情况需要增减节点或与其他网络拓扑结构（如星型、网型）融合成混合网络拓扑结构。基于管道运输跨度范围大、传输范围广、无人值守、无法持续供电、人工采集和铺设有线线路成本高昂且实施困难巨大等相关特点，本专利技术给出了该无线传感器网络通信协议方法的整体设计框架、网络拓扑结构设计、路由算法和相关功能性保障算法等的设计方案。本专利技术设计的基于阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络通信协议方法，其设计方案主要包含以下部分：本专利技术自主设计了满足特定应用环境特点的无线传感器网络三层协议架构，以实现节点之间多跳接力式的通信。通信协议架构从底层到上层依次为：物理射频层、网络层和应用层，如图1所示。物理射频层将底层的数据封装成帧结构，把CSMA-CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance：载波监听冲突避免）算法植入其中，避免节点遭遇多路信号同时响应的问题；同时物理射频层将节点物理地址固化其中，并封装操作底层硬件的软件接口，为网络层提供直接控制物理射频层的代码接口。网络层通过调用物理射频层封装的软件接口实现协议中数据包组建、检索、输入输出(FIFO方式：FirstInputFirstOutput)控制和网络层发送接收等接口函数，同时在网络层植入动态路由选择算法、确认重传算法和大数据包拆分发送算法保障在最低功耗下的高效、高保障数据传输。应用层通过调用网络层提供的软件接口创建能实现各种应用层功能的应用程序接口（ApplicationProgrammingInterface：API）函数，完成阴极保护数据自动采集系统需求的节点组网、数据请求、数据转发、网络遍历、日志记录回传和网络状态反馈功能。本专利技术通过分层的框架设计完成对数据包的分层处理，简化处理过程、缩减处理器的资源占用以达到降低开发成本和节点功耗的目的。本专利技术基于状态机的概念在应用层自主设计了一个单线程操作系统用以控制整个协议正常运行，通过搭建注册表完成每个端口号（PORT）与应用层API函数的一一对应，从而实现对节点之间多跳接力通信的逻辑和时序控制，如图1所示。节点收到数据包后通过分析帧结构中携带端口号（PORT）来调用相应API函数，从而达到对指定节点实现特定功能的目的。本专利技术给出的是一种适用于石油管道运输应用环境特点的无线传感器网络通信协议方法，其网络覆盖范围大，传输环境复杂，干扰影响大。为保障协议工作的稳定性和健壮性，本专利技术自主开发了灵活的动态路由选择算法：其具有宽松的地址布局，允许增减网络中铺设的节点；通过升序的地址排列缩减路由表查询范围，提高协议工作效率；可灵活适应直线型、星型和网型的拓扑结构，方便后续管道升级改换时的网络维护。动态路由选择算法由以下几个部分组成：a)建立路由表：节点启动时以各个发送功率（按照由小到大的顺序）依次发送广播包，根据收到的反馈数据包建立路由表，路由表记录了在不同发送功率下所有可连接节点的通信地址；重启节点可自动完成路由表更新功能。b)查询路由表：节点发送数据包前需查询路由表，寻找最合适下一跳地址。选择原则：以最小发射功率寻找跳数最低下一跳节点，当发送失败时提高发送功率，在该发送功率下查询路由表，再次寻找跳数最低的下一跳节点，以此类推，直至将数据包发送成功后结束。同时，主节点具备可查询任意节点路由表信息的功能。c)维护路由表：在节点发送和接收数据包时，可通过发送接收成功或失败情况完成对路由表的更新。本专利技术自主设计了三种算法用以保障通信协议方法功能的完善性、稳定性和健壮性，主要由以下组成：a)确认重传算法：节点收到数据包后向发送方回传确认信息（Acknowledgement：ACK）。当发送方收到ACK时才可认为数据包发送成功；在一定时段中未收到ACK即认为发送失败，失败后在特定延时后进行数据包重传，用以保障数据传输的完整性。b)数据包拆分发送算法：用以实现大数据包传送。当发送数据包过大时，协议可将大数据包切分成若干小数据包，并在每个小数据包帧结构中设置总分组包数、单包序号、单包ACK字段信息。其中单包序号用以标记小数据包在大数据包中的位置；总分组包数和单包ACK字段用以标记大数据包中哪个小数据包已收到，哪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阴极保护数据自动采集系统无线传感器网络通信协议方法，其特征是无线传感器网络采用三层协议架构，从底层到上层依次为：物理射频层、网络层和应用层；所述物理射频层将底层的数据封装成帧结构，把CSMA‑CA载波监听冲突避免算法植入其中；同时物理射频层将节点物理地址固化其中，并封装操作底层硬件的软件接口，为网络层提供直接控制物理射频层的代码接口；所述网络层通过调用物理射频层封装的软件接口实现协议中数据包组建、检索、输入输出控制和网络层发送接收接口函数，同时在网络层植入动态路由选择算法、确认重传算法和大数据包拆分发送算法保障在最低功耗下的高效、高保障数据传输；所述应用层通过调用网络层提供的软件接口创建能实现各种应用层功能的应用程序接口函数，完成阴极保护数据自动采集系统需求的节点组网、数据请求、数据转发、网络遍历、日志记录回传和网络状态反馈功能。

【技术特征摘要】
1.一种阴极保护数据自动采集系统无线传感器网络通信协议方法，其特征是
无线传感器网络采用三层协议架构，从底层到上层依次为：物理射频层、网络层
和应用层；
所述物理射频层将底层的数据封装成帧结构，把CSMA-CA载波监听冲突避免
算法植入其中；同时物理射频层将节点物理地址固化其中，并封装操作底层硬件
的软件接口，为网络层提供直接控制物理射频层的代码接口；
所述网络层通过调用物理射频层封装的软件接口实现协议中数据包组建、检
索、输入输出控制和网络层发送接收接口函数，同时在网络层植入动态路由选择
算法、确认重传算法和大数据包拆分发送算法保障在最低功耗下的高效、高保障
数据传输；
所述应用层通过调用网络层提供的软件接口创建能实现各种应用层功能的应
用程序接口函数，完成阴极保护数据自动采集系统需求的节点组网、数据请求、
数据转发、网络遍历、日志记录回传和网络状态反馈功能。
2.根据权利要求1所述的阴极保护数据自动采集系统无线传感器网络通信协
议方法，其特征是所述动态路由选择算法由以下几个部分组成：
a)建立路由表：节点启动时以各个发送功率按照由小到大的顺序依次发送广
播包，根据收到的反馈数据包建立路由表，路由表记录了在不同发送功率下所有
可连接节点的通信地址；重启节点可自动完成路由表更新功能；
b)查询路由表：节点发送数据包前需查询路由表，寻找最合适下一跳地址；
选择原则：以最小发射功率寻找跳数最低下一跳节点，当发送失败时提高发送功
率，在该发送功率下查询路由表，再次寻找跳数最低的下一跳节点，以此类推，
直至将数据包发送成功后结束；同时，主节点具备可查询任意节点路由表信息的
功能；
c)维护路由表：在节点发送和接收数据包时，可通过发送接收成功或失败情
况完成对路由表的更新。
3.根据权利要求1所述的阴极保护数据自动采集系统无线传感器网络通信协
议方法，其特征是所述确认重传算法为：节点收到数据包后向发送方回传确认信
息；当发送方收到ACK时才可认为数据包发送成功；在一定时段中未收到ACK即
认为发送失败，失败后在特定延时后进行数据包重传，用以保障数据传输的完整
性。
4.根据权利要求1所述的阴极保护数据自动采集系统无线传感器网络通信协

\t议方法，其特征是所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐承伟，薛致远，陈洪源，郭正虹，毕武喜，王维斌，林明春，姜有文，赵君，陈振华，吴长访，张丰，滕延平，沈光霁，蒋先尧，陈新华，冯展军，康叶伟，李明菲，王禹钦，王学一，高山卜，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11