無線傳感器網(wǎng)絡在油品管道運輸中的研究與應用

劉竣川中石化管道儲運公司襄樊輸油處，湖北襄樊 441002

隨著科學技術不斷提高、經濟的快速增長，管道運輸?shù)膬?yōu)勢逐步的體現(xiàn)出來。管道輸目前已經作為重要的一種能源輸送方式，在我國乃至世界范圍內被普遍采用。隨著計算機科學和智能化儀表的發(fā)展，能夠極大地擴展了現(xiàn)有監(jiān)控網(wǎng)絡覆蓋范圍的無線智能傳感器網(wǎng)絡在近年來得到了很大的重視和發(fā)展。本文就無線傳感器網(wǎng)絡的組成與其在油品管道運輸中的運用作了簡單的研究。

1 無線網(wǎng)絡傳感器的組成

無線傳感器網(wǎng)絡是融合了無線通信、傳感器、嵌入式軟硬件、智能控制、芯片制造等多學科的綜合技術，無線傳感器網(wǎng)絡由大量隨機分布的微小節(jié)點組成。網(wǎng)絡節(jié)點自身帶有傳感器、數(shù)據(jù)處理、無線通信等模塊，不需要任何網(wǎng)絡基礎設施，通過自組織的方式組網(wǎng)，借助其傳感器模塊，有效地與物理環(huán)境交互，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并把信息通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心處理，得到相應信息的全新的監(jiān)測方法。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡在多個領域得到應用，在油品的管道運輸中也得到了極大的發(fā)展。

2 無線傳感器網(wǎng)絡的起源與發(fā)展

對無線傳感器網(wǎng)絡的需求是傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的動力，電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點，這些特點帶來了信息采集與處理的變革。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡經歷了30多年的發(fā)展歷程：傳感器網(wǎng)絡最早出現(xiàn)在20世紀70年代，人們通過具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點對點傳輸，連接控制器構成傳感器網(wǎng)絡；之后，由于傳感器的不斷更新，具有獲取多種信息信號能力，采用串/并接口(如RS-232、RS-85)與控制器相聯(lián)，逐漸的盛行，并構成有多種信息的傳感器網(wǎng)絡；進入新世紀之后，具有智能獲取多種信息信號的傳感器被人們重視，它通過現(xiàn)場總線的連接傳感控制器，構成局域網(wǎng)絡，成為智能化傳感器網(wǎng)絡；無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展至今，已經發(fā)展到應用大量的具有多功能、多信號獲取能力的傳感器，通過自組織無線接入網(wǎng)絡，與傳感器網(wǎng)絡控制器連接，構成的無線傳感器網(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡的研究發(fā)源于美國，其最先研究領域主要應用于軍事領域、之后民用領域也逐漸的被涉及，英國、日本、意大利等國家的一些科研機構和高校構也紛紛在該領域開展了相關研究工作。目前，各國學術界關于無線傳感器網(wǎng)絡的研究主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡技術的構架和通信協(xié)議方面。

3 無線傳感器網(wǎng)絡的特點及研究熱點

無線傳感器網(wǎng)絡作為一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點。

以應用為目標無線傳感器網(wǎng)絡，其構建的是一個系統(tǒng)工程，這個系統(tǒng)工程研究涉及到很多層面，研究熱點簡單綜述如下：

1）通信協(xié)議

由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力和能量都存在局限性，每個節(jié)點只能獲知周圍相鄰節(jié)點的信息，這就決定了通信協(xié)議不能復雜。網(wǎng)絡層路由協(xié)議和鏈路層協(xié)議是通信協(xié)議研究的重點。網(wǎng)絡層路由協(xié)議決定著數(shù)據(jù)包的傳輸方式以及數(shù)據(jù)的傳輸路徑，鏈路層研究的核心是介質訪問控制(MAC)，介質訪問控制協(xié)議位于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的底層，對無線傳感器網(wǎng)絡性的影響較大，因而是研究的重點。

2）網(wǎng)絡拓撲控制

拓撲控制內容包括節(jié)點功率控制、拓撲結構形成以及啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制等。通過拓撲控制自動生成良好的網(wǎng)絡有利于提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、時間同步及節(jié)點定位等，同時平衡各節(jié)點的能量開銷。所以，通過啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制能夠使節(jié)點在沒有通信任務時進入睡眠狀態(tài)，在任務來臨時及時醒來并喚醒周圍相關節(jié)點開始工作也是研究的熱點。

3）網(wǎng)絡安全與數(shù)據(jù)融合

無線傳感器網(wǎng)絡的安全性、數(shù)據(jù)的可靠性是網(wǎng)絡安全必須考慮，否則，采集的數(shù)據(jù)則對實際生產應用不能產生效用。由于對能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡來講，一般情況下會使用減少數(shù)據(jù)的傳輸量來延長網(wǎng)絡生命周期，數(shù)據(jù)融合就是利用本地節(jié)點有限的計算能力和存儲能力減少冗余數(shù)據(jù)，高效的整合數(shù)據(jù)，這也是目前研究的重點。

4）時間同步與節(jié)點定位

在節(jié)點數(shù)量龐大、硬件簡單的無線網(wǎng)絡中維持一個全局時鐘難度非常大，因而，在與時間相關的監(jiān)測任務中，各無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的時鐘需要保持同步，是技術的難點。目前比較好的解決方法是每個節(jié)點都維護自身的時鐘，這樣在數(shù)據(jù)的采集過程中，并不一定能保證數(shù)據(jù)采集的準確性，所以在資源有限、硬件資源相對簡單的無線傳感器網(wǎng)絡中，獲得詳細的位置信息非常的困難，一方面需要傳感器的設計更加的簡單而精確；另一方面有待于時鐘控制技術的突破。

4 無線傳感器在野外油氣管道監(jiān)測中的應用

管道傳輸通常是按合理的設計方式線形傳輸，其空間跨度范圍大，正常情況下綿延數(shù)百公里乃至數(shù)千公里，監(jiān)測區(qū)域是其中一段。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在該監(jiān)控區(qū)域沿管道線型分布，各個節(jié)點位置布置完畢后相對固定，節(jié)點向節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)通過很多個節(jié)點進行接力式的傳輸，由于比較偏遠，一般傳感器都采用節(jié)一般采用電池供電，可保持長時間穩(wěn)定的傳輸信號。這樣，通過計算機采集傳感器所接受的信號，能及時準確的反映出管道的狀況，大量的節(jié)省了人力和物力，可謂是事半功倍。目前，我國許多能源輸送管道都采用了無線傳感器網(wǎng)絡來進行實時監(jiān)控，取得了不錯的效果。相信隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡在油氣的管道運輸中將運用的更為深入和廣泛。

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡.北京：清華大學出版社，2005.

[2]史永彬，葉湘濱，劉培亮.無線傳感器網(wǎng)絡技術研究現(xiàn).國外電子測量技術，2005(11).

[3]于海斌，曾鵬，等.智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng).北京：科學出版社，2006.