张少锋

摘要：以往的有线式传感测控系统有许多缺点，布线复杂且难以维护，难以满足设备生产运行状态监测的需求。近年来，无线传感器网络技术的不断发展，应用越来越广泛。文章提出采用先进的无线传感网络技术和计算机测控技术设计一款数据采集系统，该系统结合了网络传感技术和化工装备状态实时监测技术，拥有更多的传感器网络节点，通信能力较强，能够更好地满足化工装备运行状态监测的需要。

关键词：无线传感器；传感器网络；化工装备；数据采集

中图分类号：TP39  文献标志码：A

1 研究现状

科技正在不断往前发展，无线传感器网络的应用领域与行业也在不断扩大，从军事领域逐渐向其他行业扩展，当前不少环境领域、民用领域等都已经运用了无线传感器网络。美国的部分学院，如麻省理工学院等开始分析与研究无线传感器网络。除此之外，“ZigBee联盟”也有4家国际知名公司加盟其中，这几家公司都对ZigBee技术不断分析与研究。在当前的无线传感器网络领域里面，ZigBee技术的优势较为明显，如表1所示将短距离通信技术参数对比具体地呈现出来。我国在对无线传感器网络有关的理论方面做分析与研究时，主要是中国科学院和相关的商业公司以及科研机构进行分析。在无线传感器网络安全协议方面，我国科学院也获得了更多的成果。

2 基于WSN的监测系统框架

通常所说的化工装备包括换热器、反应釜等，这类化工装备的工作介质具有以下这些特征：高温、高压，或者是有特别强的腐蚀性，通常对自然以及人体会造成一定的危害。如果这些设备的安全性产生了破坏，就会有严重的事故发生，不光是工作人员的财产，连同工作人员的性命也会遭到威胁与损害。所以，对化工装备来说，能够拥有实时监测的设备来确保安全是有必要且重要的。文章所运用的基本原理是以设备状态监测和故障诊断技术作为基础，提出的一种鉴于无线传感器网络的化工装备运行状态数据采集与监控系统，该系统主要是由几个部分所组成，包括：有线数据传输、现场数据采集、远程服务等。

数据采集部分最大的作用在于转化信号，这里的信号通常是设备状态监测点，主要的任务是将物理信号改变成数字信号，在该系统中，数据采集功能要想顺利被达成，需要用到无线传感器节点，而这些传感器节点要想运行则需要用到各种传感器，这些传感器能够对数据信息有所感知、监测以及采集；当运用无线数据传输时，实际上就是将采集到的数据信息做了传输，传输的两端分别是传感器以及汇聚节点（Sink Node）［1］。在该系统里面，用来对无线网络的数据信息做汇集的网关设备其实是EMBV210实验平台，然后将收集到的数据信息做转化，让其成为数据包，而这个后生成的数据包其实是符合TCP/IP协议的，随后再将这个数据包直接输送到检测中心位置的服务器以及上位机中，而这个输送的网络是有线以太网；当使用监测中心上位机以及数据服务器时，通常使用到以下两个软件，一个是数据库软件，另一个则是虚拟仪器软件。同时还需要让拥有人机界面的状态监测设备得以顺利开发，这样就能够将所有需要被监测的数据信号有所分析以及处理，而且最终的处理结果能够以文字、数字或图形的方式呈现出来，便于管理人员实时监测，也有利于管理人员对过去的记录进行查询，这样当设备因为意外原因而发生故障时，还能有数据作为依据支撑；远程服务需要用到网络，通过网络共享的方式，可以把本地检测中心服务器以及上位机里面的信息直接共享到专家组，或者是共享给远程管理者，这样就能够让设备具备实时监测的功能与作用，而且如果设备出现了故障，也能够远程诊断以及远程决策［2］。

3 SCADA-CERCWSN系统网络节点分类

在分簇的层次性网络中，整个网络被区分为若干个簇（Cluster），每个簇由一个簇头节点（Cluster-head）和众多簇成员节点（Cluster-member）构成。数据采集这部分通常是簇成员节点来负责的，然后这些数据会直接转发到簇头节点，而转发的方式通常是多跳的通信方式。当簇头节点将这些数据接收之后，这些数据会被冗余处理以及数据融合，随后发送到Sink节点。簇头节点拥有一项功能叫数据融合，当运用这项功能后，网络里面转发的冗余数据就会减少，最终数据通信量将会相应减少，能量也能被相应节约［3］。与此同时，网络的复杂情况也会被层次化结构而降低，这样簇就能更易于重建。所以，如果光从功能区别的方向看，无线网络节点可以被分成3个类型，一是Sink节点，二是簇成员节点，三是簇头节点。企业的通信网络结构如果按照功能目标（生产过程、监测系统等）来分，能有3个层次出现：车间级、企业级以及现场级。按照上面的层次来划分，本文所提及的通信设备能够被分成两大类：一类是车间级网关节点，另一类是现场级无线传感器节点。

3.1 现场级无线传感器节点

一般情况下，当应用不一样时，传感器网络节点也拥有不一样的结构，不过通常都拥有以下4个部分：电源模块、传感器模块、无线射频模块以及微处理器模块，具体如图1所示。不管是什么类型的节点，这些模块都是必须拥有的。其中电源模块的作用主要是将管理能源以及电路系统提供出来；传感器模块对数据信息做采集以及转换；无线射频模块主要用來和周边的节点做无线通信，并对采样的数据进行发送与接收，最终顺利让信号能转换等［4］；而微处理器模块能操作所有的节点，常用的操作形式有：对网络协议进行运行、对收集到的数据有所存储并处理等。

3.2 车间级网关节点

想让WSN和基础网络联系起来，让收集到的数据信息做分析以及处理，就必须要拥有网关设备。不过，在当前拥有的基础网络里，例如CDMA与GPRS中，上行数据传输的速率并不高。由于当使用有线以太网时，其上行的速率最大能够到达100Mbps，所以通常所选择的基础网络是有线以太网，因为运用了该网络能让监测中心的服务器以及上位机里面的数据在进行交换时得以被WSN网络顺利监测。

當数据信息在以太网中做交换时，和WSN的主要联系就是网关。网关通常有以下几大模块：WNS射频通信模块、Internet数据通信模块以及数据处理与控制模块［5］。而Internet数据通信模块不但需要向上转发数据给上位机，还需要向下转发上位机。从这里能够得知，网关需要对数据量处理，而且数据量特别多，而且还要对TCP/IP协议有所支持，需要拥有更多的能力。不过网关通常都是有线连接，所以在能耗方面限制并不严格。

4 现场级节点通信能力分析

4.1 路径损耗与通信能力分析

对于无线传感器网络的所有节点来说，节点的通信能力与系统的特性以及生产环境有一定的联系。当受到这些因素的影响时，无线传感器网络在传输时会产生路径损耗，这些影响可以直接用路径损耗去表示。自由空间路径损耗应用如下公式计算：

PL=201gf+201gd-28（1）

式中，PL为路径损耗（dB）；f为工作频率（MHz）；d为两节点之间的距离（m）。自由空间路径损耗是f和d的函数，要想让网络节点之间拥有可靠的通信，其中的关键点就在于部署节点的合理性以及对工作频率的选择情况。不仅如此，如果在相同的区域或者是设备里将很多类型相同的节点放置在一起，就能够运用节点本身的性质来发现相邻节点以及发现路由的事项自动完成，让网络顺利运行，让网络的抗毁性以及对数据信息的传输实时性得以提升［6］。

4.2 节点电容量与通信能力分析

鉴于无线传感器网络具有在布置方面较为简洁、成本方面较低等因素，因此不同的节点都会最终集成有电源模块。供电模式是电池供电，所用的电容量是有限的，自然会对通信能力有所影响。节点的能量消耗与通信距离的关系可定义如下：

Econs=Ee+kdn（2）

式中，Econs表示为一次通信的总电能消耗量，Ee表示为此次通信中数据编码、调制等过程的能耗，k为传播损耗系数，n 为传播损耗指数。考虑多方面因素，参数n一般取3，也就是说，能耗和距离的三次方是能够映现正比的，因而，当距离不断增添时，能耗也会相应随着加多。不仅如此，当实际运用的时候，不但要对自由空间路径的损耗情况做考虑，还要对工业环境对信号衰减的作用与影响做考虑。

5 结语

文章将无线传感器网络技术运用到化工装备运行状态数据采集与监控系统中，并提出了以无线传感器网络替代，在这个基础上创设了鉴于无线传感器网络的化工装备数据采集与监控系统整体架构，分别剖析了这个架构中不同组成部分的用意及达成的策略，实现对于监控化工装备运行的状态和相关数据进行采集和传输的目的。在后续相关研究中，笔者还将在扩展系统功能、集成系统功能模块、改善和稳定系统性能等方向上进行重点探究。

参考文献

［1］赵金兰，李娅，岳庆玲，等.无线传感器网络技术的应用及前景分析［J］.江苏科技信息，2021（35）：51-53.

［2］彭能松.无线传感器网络异常数据检测算法研究［D］.泉州：华侨大学，2019.

［3］施晓斌.无线传感器网络中的数据质量问题研究［D］.福州：福州大学，2018.

［4］刘龙庚.大数据环境下无线传感器网络关键技术研究［D］.成都：电子科技大学，2017.

［5］王岩.无线传感器网络数据分发与收集的信息安全研究［D］.上海：华东师范大学，2017.

［6］石鲁生，朱慧博.无线传感器网络数据融合技术与展望［J］.物联网技术，2017（8）：31-33，36.

（编辑 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