基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法技术

本发明专利技术是一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法。其特征是采用基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的动态路由选择算法、确认重传机制、大数据包拆分发送算法和日志记录回传算法。本发明专利技术能实现数据自动采集、定时监控及管理，且能保障网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮性。

【技术实现步骤摘要】
基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法
本专利技术是一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法。涉及金属材料的一般防蚀、数据的识别和管道系统
技术背景管道运输是国民经济的五大运输方式之一，能源等物资输送管道通常要穿越漫长的无人地区，管道信息（如阴极保护电位信息，可用于监控金属运输管道腐蚀状况）的准确采集对保障管道运输的安全性和可靠性等方面有着非常重要的意义。现有的能源输送管道的监控和管理仍然以人工为主，数据采集成本巨大，数据管理成本较高，困难较多。因此，建立强大、智能的自动监控管理体系是最新管道监控系统发展的方向。现实的需求是推动新技术发展的动力，近两年来，迅速发展的无线传感器网络(WSN:WirelessSensorNetwork)极大地扩展了现有监控网络的覆盖范围，为解决现有数据采集方式提供了新的思路。WSN通常是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器结点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织的网络系统，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，并发送给观察者。将无线传感器网络应用到管道运输的阴极保护数据自动监控管理系统中，可以大大降低数据监控成本，在无持续能源供给的恶劣环境中实现阴极保护数据自动采集监控，基于此本专利技术给出了基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集系统的整体设计方案，包括阴极保护数据自动采集系统的采集器,硬件通信结点，结点之间的通信协议，以及阴极保护数据自动采集系统上位机管理软件的设计。CN102186258A公开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，但网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮性都不太理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种基于无线传感器网络的、能实现数据自动采集、定时监控及管理并能保障网络协议的灵活性和兼容性以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮性的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法。为了克服现有管道运输中数据采集、管道监控、数据管理都是以低效率的人工方式进行的局限，在对管道运输安全管理的需求进行分析以后，本专利技术开发了一套基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法和系统，该方法所用系统包括阴极保护数据自动采集系统的采集器、硬件通信结点、结点之间的通信协议以及管理阴极保护数据的上位机管理软件。本专利技术所用系统的构成如图1所示，系统在每一条管线布设了一个线性无线传感器网络，于每条管线的起始位置安置数据接入结点（以下简称Sink结点，如图1所示），在管线上需要采集阴极保护数据的位置布设数据采集终端结点（以下简称ED结点，如图1所示）。在Sink结点处布设管理系统，所以Sink节点是管理系统中单管线无线传感器网络的管理者，该管理系统有数据库与其有输入、输出连接，并接有低级用户的输出。如此的多个管线之管理系统输出接有高级用户和数据库的管理系统。其中：所述阴极保护数据自动采集系统的数据采集器是一款基于无线传感器网络、工作在391MHz-464MHz频段、具有3-5公里传输能力的大功率硬件通信结点；本结点以德州仪器芯片CC1110为基础，采用时分复用工作方式，整个系统主要由太阳能供电模块、射频收发器CC1110、下行链路（主要包括由射频前端功放、3db电桥组成的平衡功率放大器）、上行链路（主要包括低噪声放大器）以及射频开关组成，如图2所示；太阳能供电模块接射频收发器CC1110，射频收发器CC1110中的数据存储器接数据采集器输出，射频收发器CC1110差分接口接阻抗变换器，阻抗变换器与第一射频开关互有输入和输出连接；第一射频开关输出接包括由射频前端功放、3db电桥组成的平衡功率放大器的下行链路，下行链路再接第二射频开关后接收发天线；第二射频开关输出经主要包括低噪声放大器的上行链路接第一射频开关；其中，在下行链路采用的平衡式放大器，是实现远距离通信所需功率的关键设计；所述阴极保护数据自动采集系统的结点之间通信协议是用来实现适用于能源管道运输环境的无线传感器网络的保障通信；该网络拓扑分布基本为线形（直线或曲线，没有交叉或重叠），具有跨度范围长、传感器结点密度低等特点；所述阴极保护数据自动采集系统的上位机的系统用户分为五个级别：管理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，级别从高到低；该平台包括用户管理模块，结点管理模块，各级结点拓扑图模块，数据的处理和分析模块，各级数据库的备份和上传模块以及硬件控制模块；所述的用户管理模块基于该系统的管理特性，设计了五个级别的用户，分别为管理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，而管理员级的用户能对其他各个级别的用户进行添加、删除、修改和显示用户信息这几个功能。基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法为：1）协议将网络起始结点设为Sink结点，将其余结点设为ED结点；Sink结点作为可以直接与数据库进行交互的主结点，其具有较强的处理、控制及存储功能，一方面可以通过Sink结点向其他ED结点发送控制指令，另一方面可以将由ED结点传送的数据进行汇总及上传;ED结点作为主要的阴极保护数据的采集结点可以采集管道阴极保护数据并传送给Sink结点，ED结点的数量可以根据网络的地理长度进行拓展，满足长距离的需求；2）网络中各个结点使用自行设计的满足基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的“端口号映射法”协议方式，以实现结点之间多跳接力式的通信；“端口号映射法”协议架构由底层到上层依次为：物理层，射频层，网络层及应用层。网络层通过调用物理层和射频层封装的功能函数，形成供应用层调用的应用层功能接口函数，应用层通过数据包中的端口号来调用特定的功能函数，并完成相应功能；3）当无线传感器网络中出现连续N(N<4)个结点故障无法通信时，与故障结点相邻的正常结点可绕过故障结点正常通信；由于设计所描述的网络覆盖距离较长，信道环境复杂，干扰影响大，基于此设计了基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的跳频算法，以提供在干扰环境中切换信道的保障通信；当周围环境中干扰严重或人为干预跳频时，Sink结点将以广播形式发送时钟同步信息及跳频指令，ED结点收到该指令时完成与Sink结点的时钟同步并根据已有的调频序列表进行跳频；4）为了保障网络协议的灵活性和兼容性，以及网络协议功能的完整性、稳定性和健壮性，本专利技术的特征是自行设计了基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的动态路由选择算法、确认重传机制、大数据包拆分发送算法和日志记录回传算法；◆动态路由选择算法：为了消除由于增减结点而造成的无线路由功能紊乱而设计的算法，每次启动结点可以刷新现有的路由表，从而据其选择最优的无线传输路径进行数据传输；◆确认重传机制：是一种为了保证传输成功率而设计的算法，当接收方收到发送方发送的数据包时需要向其发送回传确认信息（ACK），如果发送方没有收到ACK则认为发送失败，一段时间后自动重传，直到接收到ACK信息为止；◆大数据包拆分发送算法：是为了避免大段数据同时丢失而设计的算法，将其拆分为若干小数据包进行传送，每个小数据包中标有其在大数据包中的位置以及总分包数，接收方将接收到的小数据包根据其位置信息重新拼装为原始大数据包；◆日志记录回传算法：是为了及时记录结点工作状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法，该方法所用的系统包括阴极保护数据自动采集系统的采集器、硬件通信结点、结点之间的通信协议以及管理阴极保护数据的上位机和管理软件；系统在每一条管线布设了一个线性无线传感器网络，于每条管线的起始位置安置称为Sink结点的数据接入结点，在管线上需要采集阴极保护数据的位置布设称为ED结点的数据采集终端结点；在Sink结点处布设管理系统，所以Sink节点是管理系统中单管线无线传感器网络的管理者，该管理系统有数据库与其有输入、输出连接，并接有低级用户的输出；如此的多个管线之管理系统输出接有高级用户和数据库的管理系统；所述阴极保护数据自动采集系统的采集器是一款基于无线传感器网络、工作在391MHz‑464MHz频段、具有3‑5公里传输能力的大功率硬件通信结点；本结点采用时分复用工作方式；所述阴极保护数据自动采集系统的结点之间通信协议是用来实现适用于能源管道运输环境的无线传感器网络的保障通信；该网络拓扑分布基本为直线或曲线形；所述阴极保护数据自动采集系统的上位机管理系统用户分为五个级别：管理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，级别从高到低；该平台包括用户管理模块，结点管理模块，各级结点拓扑图模块，数据的处理和分析模块，各级数据库的备份和上传模块以及硬件控制模块；所述的用户管理模块基于该系统的管理特性，设计了五个级别的用户，分别为管理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，而管理员级的用户能对其他各个级别的用户进行添加、删除、修改和显示用户信息这几个功能；基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法是：1）协议将网络起始结点设为Sink结点，将其余结点设为ED结点；Sink结点作为直接与数据库进行交互的主结点，其具有较强的处理、控制及存储功能，一方面通过Sink结点向其他ED结点发送控制指令，另一方面将由ED结点传送的数据进行汇总及上传;ED结点作为主要的阴极保护数据的采集结点采集管道阴极保护数据并传送给Sink结点，ED结点的数量根据网络的地理长度进行拓展，满足长距离的需求；2）网络中各个结点使用自行设计的满足基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的“端口号映射法”协议方式，以实现结点之间多跳接力式的通信；“端口号映射法”协议架构由底层到上层依次为：物理层，射频层，网络层及应用层；网络层通过调用物理层和射频层封装的功能函数，形成供应用层调用的应用层功能接口函数，应用层通过数据包中的端口号来调用特定的功能函数，并完成相应功能；3）当无线传感器网络中出现连续小于4的N个结点故障无法通信时，与故障结点相邻的正常结点绕过故障结点正常通信；因所描述的网络覆盖距离较长，信道环境复杂，干扰影响大，基于此设计了基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的跳频算法，以提供在干扰环境中切换信道的保障通信；当周围环境中干扰严重或人为干预跳频时，Sink结点将以广播形式发送时钟同步信息及跳频指令，ED结点收到该指令时完成与Sink结点的时钟同步并根据已有的调频序列表进行跳频；其特征是采用基于能源管道运输环境特点的无线传感器网络的动态路由选择算法、确认重传机制、大数据包拆分发送算法和日志记录回传算法；所述动态路由选择算法为：为了消除由于增减结点而造成的无线路由功能紊乱而设计的算法，每次启动结点可以刷新现有的路由表，从而据其选择最优的无线传输路径进行数据传输；所述确认重传机制为：是一种为了保证传输成功率而设计的算法，当接收方收到发送方发送的数据包时需要向其发送回传确认信息ACK，如果发送方没有收到ACK则认为发送失败，一段时间后自动重传，直到接收到ACK信息为止；所述大数据包拆分发送算法为：是为了避免大段数据同时丢失而设计的算法，将其拆分为若干小数据包进行传送，每个小数据包中标有其在大数据包中的位置以及总分包数，接收方将接收到的小数据包根据其位置信息重新拼装为原始大数据包；所述日志记录回传算法为：是为了及时记录结点工作状态而设计的算法，各结点会将状态信息以最小数据量进行记录并存储，当Sink结点发送日志请求指令时将其发回。...

【技术特征摘要】
1.一种用于管道运输系统的安全管理维护的基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法，该方法所用的系统包括阴极保护数据自动采集系统的采集器、硬件通信结点、结点之间的通信协议以及管理阴极保护数据的上位机和管理软件；系统在每一条管线布设了一个线性无线传感器网络，于每条管线的起始位置安置称为Sink结点的数据接入结点，在管线上需要采集阴极保护数据的位置布设称为ED结点的数据采集终端结点；在Sink结点处布设管理系统，所以Sink节点是管理系统中单管线无线传感器网络的管理者，该管理系统有数据库与其有输入、输出连接，并接有低级用户的输出；如此的多个管线之管理系统输出接有高级用户和数据库的管理系统；所述阴极保护数据自动采集系统的采集器是一款基于无线传感器网络、工作在391MHz-464MHz频段、具有3-5公里传输能力的大功率硬件通信结点；本结点采用时分复用工作方式；所述阴极保护数据自动采集系统的结点之间通信协议是用来实现适用于能源管道运输环境的无线传感器网络的保障通信；该网络拓扑分布基本为直线或曲线形；所述阴极保护数据自动采集系统的上位机管理系统用户分为五个级别：管理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，级别从高到低；所述管理软件包括用户管理模块，结点管理模块，各级结点拓扑图模块，数据的处理和分析模块，各级数据库的备份和上传模块以及硬件控制模块；所述的用户管理模块基于该系统的管理特性，设计了五个级别的用户，分别为管理员级、总控级、站场级、管线级和保护站级，而管理员级的用户能对其他各个级别的用户进行添加、删除、修改和显示用户信息这几个功能；基于无线传感器网络的阴极保护数据自动采集方法是：1)协议将网络起始结点设为Sink结点，将其余结点设为ED结点；Sink结点作为直接与数据库进行交互的主结点，其具有较强的处理、控制及存储功能，一方面通过Sink结点向其他ED结点发送控制指令，另一方面将由ED结点传送的数据进行汇总及上传；ED结点作为主要的阴极保护数据的采集结点采集管道阴极保护数据并传送给Sink...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛致远，徐承伟，陈洪源，林明春，赵君，毕武喜，郭正虹，康叶伟，吴长访，陈新华，张丰，陈振华，姜有文，赵晋云，刘文会，穆承广，沈光霁，徐华天，
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