CN103841620B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明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。

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(Wireless Sensor Networks，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。

发明内容

本发明的目的是发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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：

本发明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（Carrier Sense MultipleAccess with Collision Avoidance：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(FI FO方式：First Input First Output)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（Application Programming Interface：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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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，哪个未收到。当接收方接收完大数据包的所有分组后即将小数据包重组，并检查单包ACK信息看是否每个小数据包都收到，如有未收到的则单独请求重传。

c)日志记录回传算法：实现节点在工作过程中实时记录其正常和异常的工作状态作为工作日志，完成AP节点对特定节点请求日志信息用以了解当前节点和其上一跳、下一跳节点的工作状态。为了用最少的数据量表达最多的节点工作状态，本发明对节点工作状态进行编码，一个字节对应一个工作状态，并在接收端进行解析，最大限度的提高了日志记录效率，便于掌握整个网络工作状态。

基于阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络协议流程图如图3所示。具体是：

开始；

判断目的地址是不是本节点？若不是，则转发数据包，判断转发成功否？若转发成功，则记录日志，切换LED2，若转发不成功，则进入重发机制；若目的地址是本节点，则转

判断端口号合法否？若不合法，则错误信息写入日志；若合法，则

判断本节点是AP节点吗？若不是，则判断端口对应功能函数是不是为空？如为空，则错误信息写入日志；如不为空，则调用端口对应功能函数，判断帧结构中信息部分不为空？如为空，则错误信息写入日志，如不为空，则组装输出数据包将信息发回给发出命令节点，发送成功否？如发送成功，则切换LED2，记录日志信息，如发送不成功，则进入重发机制；若本节点是AP节点，则

判断数据包是否来自端口？若否，则将数据包经串口发给电脑；若是，则

判断端口对应功能函数是不是为空？若为空，则错误信息写入日志；若不为空，则调用端口对应功能函数；

判断帧结构中信息部分不为空？若不为空，则组装输出数据包经串口发给电脑；若为空，则错误信息写入日志。

本发明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。

附图说明

图1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的框架结构图

图2基于阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络拓扑结构图

图3基于阴极保护数据自动采集系统的无线传感器网络协议流程图

具体实施方式

实施例.本例的网络拓扑结构如图1所示，在运输管道起始位置布置AP节点。AP节点具备相对较强的控制和处理能力，其主要有三种功能：第一，用以完成向网络中发起各种命令来控制各个ED节点；第二，可实现汇聚各个ED节点数据并上传的功能；第三，可实现与其他网络（如以太网、GSM网等）的连接。在运输管道上依次布置ED节点，其节点物理地址以升序排列，相邻节点地址间隔可大于1，以便后期增减管道监测节点，与其它网络拓扑结构兼容，增强网络的可维护性。ED节点可完成两种网络功能：第一，可作为网络中数据采集节点，采集管道阴极保护数据；第二，可作为网络的中继节点，完成节点数据多跳接力方式的传送给目的节点。ED节点在不收发数据时处于休眠状态，功耗极低。

本例采用芯片CC1110作为无线传感器网络节点进行数据转发处理的核心。该芯片是一种真正低成本的无线片上系统（System on Chip，SOC），为低功耗无线应用而设计。其具有增强型8051单片机（Micro Control Unit，MCU）和无线收发模块CC1100。其中8051MCU自带32K Flash和4K RAM，用于下载和运行协议栈程序，控制节点收发数据的逻辑和时序；无线收发模块CC1100完成信号的收发。通信协议主要工作在ISM（Industrial，Scientificand Medical，工业、科学和医疗）开放的公共频段433MHz。

本例自行设计了满足管道运输应用环境特点的无线传感器网络三层协议架构，从底层到上层依次为：物理射频层、网络层和应用层，如图1所示。本发明实现编程语言为C语言，采用IAR embedded workbench集成开发环境实现，通过RS232串口将协议栈下载至无线通信模块中用以实现网络功能。

本例设计的无线传感器网络节点分为AP节点和ED节点两种。其各自的工作流程如下：

1）AP节点：在网络开始工作时，可通过上位机控制AP节点向网络中发送命 令数据包；命令数据包主要包含PORT信息（对应特定应用功能，如请求数据、遍历网络、请求日志信息等），最终目的地址、源地址、上一跳地址、下一跳地址、负载数据包、负载数据包长度、总分组包数、单包序号和单包ACK字段信息；命令数据包发送成功后，AP节点进入等待接收状态，当有数据包到达AP节点时，AP节点将从等待接收状态跳出并向发送方发送ACK信息，然后开始处理数据包，处理完毕后再次进入等待数据包状态；在这里，数据包分为两种：第一种是ED节点返回的结果数据包，AP节点会将其通过串口上传给上位机；第二种是上位机通过串口发送给AP节点的命令数据包，AP节点根据其携带信息决定做何种处理，过程如图3所示；

2）ED节点：ED节点缺省状态为等待接收状态。当数据包到达时ED节点转入数据包处理状态，它会查看数据包携带的目的地址是否指向自己；当目的地址指向自己时，则判断该数据包携带端口号及端口号对应API函数是否合法：若合法，则调用对应API函数，在数据包负载中写入需要返回的信息；若不是，则将错误信息写入节点日志。当节点地址不是指向自己时，则根据动态路由选择算法生成下一跳地址转发数据包。若转发成功则记录信息并通过LED灯标示状态，若转发失败则进入重传机制，如图3所示。

本例经试验，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。

Claims (6)

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；

通过物理射频层、网络层和应用层的分层的框架设计对数据包进行分层处理；

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。

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。

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，其特征是所述数据包拆分发送算法为：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，哪个未收到；当接收方接收完大数据包的所有分组后即将小数据包重组，并检查单包ACK信息看是否每个小数据包都收到，如有未收到的则单独请求重传。

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议方法，其特征是所述日志记录回传采用日志记录回传算法，该算法为：实现节点在工作过程中实时记录其正常和异常的工作状态作为工作日志，完成AP节点对特定节点请求日志信息用以了解当前节点和其上一跳、下一跳节点的工作状态。

5.根据权利要求4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，其特征是对节点工作状态进行编码，一个字节对应一个工作状态，并在接收端进行解析，最大限度的提高了日志记录效率，便于掌握整个网络工作状态。

6.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，其特征是具体流程为：

开始；

判断目的地址是不是本节点，若不是，则转发数据包，判断转发成功否，若转发成功，则记录日志，切换LED2，若转发不成功，则进入重发机制；若目的地址是本节点，则转

判断端口号是否合法，若不合法，则错误信息写入日志；若合法，则

判断本节点是否为AP节点，若不是，则判断端口对应功能函数是不是为空，如为空，则错误信息写入日志；如不为空，则调用端口对应功能函数，判断帧结构中信息部分是否为空，如为空，则错误信息写入日志，如不为空，则组装输出数据包将信息发回给发出命令节点，发送是否成功，如发送成功，则切换LED2，记录日志信息，如发送不成功，则进入重发机制；若本节点是AP节点，则

判断数据包是否来自端口，若否，则将数据包经串口发给电脑；若是，则

判断端口对应功能函数是不是为空，若为空，则错误信息写入日志；若不为空，则调用端口对应功能函数；

判断帧结构中信息部分是否为空，若不为空，则组装输出数据包经串口发给电脑；若为空，则错误信息写入日志。