基于無線傳感器網(wǎng)絡與GIS的設備綜合監(jiān)管系統(tǒng)

張 熠

（南京郵電大學 電子科學與工程學院，南京 210003）

0 引言

對設備狀態(tài)進行有效監(jiān)管是現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理的一個重要環(huán)節(jié)。監(jiān)管方式通常包括無人值守自動實時監(jiān)控和人員定期現(xiàn)場巡檢，其中監(jiān)控系統(tǒng)常采用PLC、嵌入式監(jiān)控專用設備等前端裝置，連接方式有工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場總線等；巡檢管理通常由巡檢人員執(zhí)便攜式巡檢儀讀取設備標識，再通過集中采集器上傳至管理系統(tǒng)。傳統(tǒng)方案有一些不足之處，如有線方式聯(lián)網(wǎng)存在實施難度大、覆蓋面局限性大；監(jiān)控通常與巡檢相互獨立，不利于信息融合、提高處理效率；巡檢數(shù)據(jù)傳輸具有滯后、單向性的不足，容易出現(xiàn)漏檢；系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一規(guī)范，升級不便，不利于管理平臺功能擴展等。

物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術的發(fā)展，為設備監(jiān)管系統(tǒng)改進升級提供了更多的支撐手段，融入多種技術有助于使自動化裝置與管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合、實時性以及人機交互性等方面改進，從而提高監(jiān)管效率。

1 系統(tǒng)結構與方案特點

系統(tǒng)結構如圖1所示。在設備現(xiàn)場構建由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點等構成自組織無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs），負責采集設備狀態(tài)信息與巡檢記錄，傳感器節(jié)點兼有數(shù)據(jù)采集與RFID閱讀功能，實現(xiàn)監(jiān)控和巡檢管理的硬件集成；WSNs依據(jù)OPC規(guī)范，通過工業(yè)以太網(wǎng)接入管理平臺，使系統(tǒng)具有開放性和可擴展性，或便于融入原有系統(tǒng)；管理平臺采用C/S、B/S混合架構，C/S系統(tǒng)由多臺管理計算機（包含服務器與客戶機）配置相應功能與權限的管理軟件構成，主要在企業(yè)內運行，具有速度快、安全性好、人機交互能力強等優(yōu)點；B/S系統(tǒng)采用四層結構，實現(xiàn)異地、垮平臺查詢與維護；系統(tǒng)除數(shù)據(jù)服務器與Web服務器外，配置GIS（地理信息系統(tǒng)）服務器，構建電子地圖化的工作環(huán)境，提高檢視直觀性，改善平臺可操作性。因此本方案較好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)控與管理模式的不足，實現(xiàn)了自動監(jiān)控與實時巡檢管理的綜合，提高了設備監(jiān)管系統(tǒng)的效能[1～3]。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 WSNs節(jié)點設計

2.1 巡檢與監(jiān)控傳感器節(jié)點設計

在監(jiān)控區(qū)域設置無線傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點包含三種：傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點。傳感器節(jié)點從具體功能角度可稱為巡檢與監(jiān)控節(jié)點，即承擔兩種功能：設備運行環(huán)境、設備狀態(tài)參數(shù)的采集以及巡檢記錄的生成和上傳。其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件框圖

節(jié)點處理器采用低功耗單片機MSP430F247，它具有8路12位ADC，具有USCI_A、USCI_B各兩個接口，分別可以配置成I2C、SPI或UART，由于目前大量專用器件采用SPI或I2C等接口，為系統(tǒng)設計和簡化電路帶來極大便利。圖中節(jié)點外設包含MFRC522模塊、MC13193射頻模塊、存儲器都使用USCI接口。節(jié)點配置4路開關量與8路模擬輸入以及4路開關量輸出，可以采集如溫度、濕度、振動、壓力、流量等信息，也可控制部分設備的啟停，實現(xiàn)設備狀態(tài)實時監(jiān)控；實時時鐘采用DS1302；MFRC522是NXP公司RFID讀寫控制芯片，基于該芯片實現(xiàn)巡檢人員RFID讀取；巡檢人員通過按鍵錄入點檢評價、預警信息，形成巡檢記錄，管理平臺也可以發(fā)送響應或控制信息至特定傳感器節(jié)點，實現(xiàn)巡檢與監(jiān)控管理的實時性和雙向性。

MC13193是符合ZigBee（IEEE 802. 15. 4）標準的具有調制解調功能的射頻收發(fā)芯片。其工作頻率是2.405 ～ 2.480 GHz，每5MHz分割一個信道，可供使用的信道達16個，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit/s，采用O-QPSK調試方式。該芯片具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期；芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為0～4dBm，接收靈敏度可以達到-92dBm，傳輸距離30～70m[4]。系統(tǒng)中將MSP430F247的USCI_A0口配置成SPI并使用部分P2口線控制MC13193，實現(xiàn)節(jié)點間無線通信和組網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點MC13193射頻模塊電路

2.2 傳感器節(jié)點RFID閱讀器設計

節(jié)點采用MFRC522實現(xiàn)ISO14443A標準的RFID讀寫，該芯片是NXP公司生產(chǎn)的低電壓、低成本、體積小的RFID讀寫控制器，集成了在13.56MHz下各種類型的被動非接觸式通信協(xié)議，支持ISO14443A標準的多層應用。其內部發(fā)送器可驅動讀寫器天線與ISO14443A/MIFARE卡和應答機的通信，接收器部分具有解調和解碼電路，用于處理與ISO14443A兼容的應答器信號[5]。

MFRC522與處理器的連接支持I2C、SPI、UART等多種串行方式。在本節(jié)點中，將MSP430F247的USCI_B1口配置成I2C與MFRC522相連，如圖3所示。MFRC522設備的地址由EA與D1～D6共同確定。在MFRC522天線及其匹配、濾波和接收電路中，接收電路的元件Cmid、R1、Crx、R2以及濾波電路元件L0、C0的參數(shù)值是固定的，天線匹配電路中C1、C2與Ra的值由設計的天線確定。為獲得良好性能，應通過天線調諧過程取得相關參數(shù)。

圖4 傳感器節(jié)點RFID閱讀器模塊電路

2.3 網(wǎng)關節(jié)點以太網(wǎng)接口

在本系統(tǒng)中網(wǎng)關節(jié)點將WSNs與企業(yè)內部工業(yè)以太網(wǎng)相連。節(jié)點的以太網(wǎng)控制器采用ENC28J60，該控制器符合以太網(wǎng)規(guī)范IEEE802.3，集成MAC和10 BASE-T PHY；采用了一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制，通過內部DMA模塊實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗；結構簡單，通過SPI接口操作，配備該接口的主控制器只需一片ENC28J60、兩個脈沖變壓器和一些無源元件，即可實現(xiàn)10 BASE-T網(wǎng)絡接口，其SPI傳輸速度最高為10Mb/s。MSP430F247的USCI_B0口配置成SPI與ENC28J60相連。

3 WSNs以OPC規(guī)范接入管理平臺

測控自動化系統(tǒng)中涉及多種硬件設備與不同網(wǎng)絡結構，其數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議各不相同。OPC（OLE for Process Control）以微軟的COM（組件對象模型）和DCOM（分布式組件對象模型）技術為基礎，定義了一套標準接口，使不同的應用程序、控制器能夠進行數(shù)據(jù)交換[1]。因此采用OPC便于實現(xiàn)復雜系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交互，子系統(tǒng)可靈活組合，且不會影響原有系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的可擴展性和系統(tǒng)集成的兼容性，便于系統(tǒng)的升級和日常維護，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

本系統(tǒng)中，WSNs網(wǎng)關節(jié)點通過工業(yè)以太網(wǎng)接入綜合管理平臺，管理平臺為C/S、B/S混合架構，其中C/S系統(tǒng)服務器也是OPC客戶端，通過OPC服務器獲取網(wǎng)關數(shù)據(jù)，保存于數(shù)據(jù)庫服務器。OPC服務器包含3個模塊：OPC通訊模塊、翻譯/映射模塊和本地通訊模塊。OPC通訊模塊主要負責與OPC客戶端進行通訊；本地通訊模塊是與底層設備即WSNs的通訊部分；翻譯/映射模塊的任務是翻譯來自OPC客戶端的OPC請求，并且將這些請求轉換為與數(shù)據(jù)發(fā)送端即WSNs的交互請求，或反之。

4 基于GIS的電子地圖化監(jiān)管平臺

GIS是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術系統(tǒng)，是以測繪測量為基礎，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機軟硬件系統(tǒng)為平臺的空間分析即時技術。作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術和學科，近年來得到了迅猛發(fā)展和廣泛應用。

本系統(tǒng)中，利用GIS技術，對空間信息要素、傳感器節(jié)點分布、設備監(jiān)測數(shù)據(jù)、人員信息等空間、屬性數(shù)據(jù)進行管理，并直觀地在管理平臺中反映出來，可提高分析處理、決策指揮的科學性。通過構建基于電子地圖化的協(xié)同工作環(huán)境，使信息查詢、瀏覽更加便利和直觀，實現(xiàn)高層次的運行控制和決策支持系統(tǒng)。通過電子地圖顯示設備、傳感器節(jié)點分布，具有全局、放大、縮小、鷹眼等功能，設備運行狀況用不同顏色顯示；便于對告警點快速定位、及時響應；對巡檢漏檢點可通過CTI自動呼叫系統(tǒng)及時通知巡檢人員；也便于設定重點、特殊區(qū)域提高監(jiān)管力度，使系統(tǒng)的現(xiàn)場感知與監(jiān)控效能大大提高。系統(tǒng)采用ArcGIS Server 9.3構建GIS服務器，使用SQL Server2005為基礎數(shù)據(jù)庫，空間信息數(shù)據(jù)庫采用GeoDatabase，使用ArcSDE 9.3為空間數(shù)據(jù)引擎，采用MicrosoftVisual Studio. NET開發(fā)環(huán)境，C/S系統(tǒng)采用C#.NET語言，B/S系統(tǒng)采用ASP.NET基于WebService模式開發(fā)。平臺采用B/S、C/S混合架構，可以兼有二者的優(yōu)越性。在要求數(shù)據(jù)查詢靈活、安全性要求較高、交互性強、響應速度快的地方使用C/S模式，在C/S模式下客戶機利用客戶端應用程序，通過與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）的數(shù)據(jù)庫接口交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、處理等功能；B/S模式在分布性、跨平臺、信息發(fā)布方面有優(yōu)勢，對不同層級管理人員依據(jù)權限提供報表查詢、管理維護接口，Web服務器將數(shù)據(jù)以Html形式提交查詢?yōu)g覽器，供用戶作瀏覽查詢、維護等處理[6]。

5 結束語

利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術，實施智能設備監(jiān)控管理系統(tǒng)升級，是現(xiàn)代企業(yè)保障設備安全高效運行、不斷提供生產(chǎn)體系綜合效率的重要手段。本系統(tǒng)基于WSNs實現(xiàn)了實時自動監(jiān)控與人工巡檢管理的集成，并具有實時性和雙向性；采用GIS電子地圖化監(jiān)管平臺有利于實現(xiàn)高效的運行控制和決策支持系統(tǒng)；采用OPC規(guī)范保證了系統(tǒng)的兼容性與開放性； C/S與B/S混合架構也使系統(tǒng)兼有二者的優(yōu)點。本系統(tǒng)體現(xiàn)了綜合運用多種技術實現(xiàn)綜合性設備監(jiān)管以提高管理效率的特點。

[1] 吳明永,王國偉,吳明亮.基于OPC、Ethernet和Profibus技術的網(wǎng)絡系統(tǒng)設計[J].電氣自動化,2011,33(6):20-23.

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[6] 王清,趙輝,王紅君,等.基于B /S、C /S模型協(xié)調控制的電廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].天津理工大學學報,2009,25(5):36-38.