CN103702448A - 基于无线传感器网络的港口监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线传感器网络的港口监测系统，用于监测港口中的各待测点的状态信息，该监测系统包括：若干分别用于检测各所述待测点的状态信息的传感器节点；联接至所述传感器节点的汇聚节点，其用于采集并无线传输所述传感器节点检测到的所述状态信息；远距离无线接收器，其用于接收并无线传输所述汇聚节点输出的所述状态信息；以及联接至所述远距离无线接收器的上位工控机，其接收所述远距离无线接收器输出的所述状态信息并执行相应的监测操作。本发明可以实时地监测港口中内的各待测点的状态信息，有效地改善了监测和后续维护的效率。

Description

基于无线传感器网络的港口监测系统

技术领域

本发明涉及一种监测系统，尤其涉及一种基于无线传感器网络的港口监测系统。

背景技术

随着信息技术的不断发展，人们对通信技术的需求越来越强，摆脱有线网络的束缚实现无线通信始终是大家关心的问题，当今无线通信研究越来越热，应用非常广泛，使数据间的传输更加方便快捷，更具有市场发展前景。与此同时，传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。

无线传感网络（Wireless Sensor Networks）作为新兴技术，将无线通讯技术、微型传感器技术和网络技术有机地融为一体，是目前国内外研究的热点，通过使用无线传感网络人们可以实现信息的快速、大范围、自动化的检测和传输，其在国防军事、状态检测、工业、智能交通、空间探索和灾难拯救等领域展现出广阔的应用前景。

目前，中国的港口行业正处在产业的扩张期，港口码头泊位大型化、专业化程度进一步提升，并面临着持续繁荣的契机。在港口经历大规模扩张后，由于基础设施已经满足发展要求，或是港口规模已达到极限，因此必须通过自动化、信息化技术来提升港口的综合竞争力。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的港口监测系统，以自动、实时地监测港口内的各待测点的状态信息，从而有效地改善监测和后续维护的效率，并且大大降低人力、物力和财力的消耗。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线传感器网络的港口监测系统，用于监测港口中的各待测点的状态信息，该监测系统包括：

若干分别用于检测各所述待测点的状态信息的传感器节点；

联接至所述传感器节点的汇聚节点，其用于采集并无线传输所述传感器节点检测到的所述状态信息；

远距离无线接收器，其用于接收并无线传输所述汇聚节点输出的所述状态信息；以及

联接至所述远距离无线接收器的上位工控机，其接收所述远距离无线接收器输出的所述状态信息并执行相应的监测操作。

根据本发明的一个实施例，所述传感器节点包括：

用于检测各所述待测点的所述状态信息的传感器模块；

联接至所述传感器模块的传感器节点控制模块，其用于将所述传感器模块检测到的所述状态信息编码为预定的数据格式；以及

联接至所述传感器节点控制模块的短距离无线发射器，其用于将编码后的所述状态信息无线传输至所述汇聚节点。

其中，所述传感器模块包括温度传感器、振动传感器和/或光敏传感器。

前述一种基于无线传感器网络的港口监测系统，所述传感器节点控制模块包括：

用于读取所述传感器模块检测到的所述状态信息的数据采集单元；以及

与所述数据采集单元联接的数据处理单元，其对所述数据采集单元所读取的所述状态信息进行过滤和编码，并将编码后的所述状态信息输出至所述短距离无线发射器。

根据本发明的一个优选实施例，所述数据采集单元包括AD转换器。

前述一种基于无线传感器网络的港口监测系统，其中，所述传感器节点还包括联接至所述传感器节点控制模块的电源模块。

前述一种基于无线传感器网络的港口监测系统，所述汇聚节点包括：

用于接收所述短距离无线发射器输出的所述状态信息的短距离无线接收器；

联接至所述短距离无线接收器的汇聚节点控制模块，其用于对所述短距离无线接收器接收到的所述状态信息进行解码，并将解码后的所述状态信息写入预定的缓冲区内；以及

联接至所述汇聚节点控制模块的远距离无线发射器，其用于将所述缓冲区内的所述状态信息输出至所述远距离无线接收器。

在一个优选的实施例中，所述远距离无线接收器通过RS232总线或以太网接口与所述上位工控机联接。

综上所述，本发明通过在港口的各待测点处设置传感器节点来检测相应的状态信息，再通过汇聚节点和远距离无线接收器将检测到的状态信息传输至上位工控机，然后由上位工控机根据检测的结果执行相应的监测操作，从而实现对港口各待测点处的自动、实时的监测，大大提高了监测和后续维护的效率。

附图说明

图1为本发明的港口监测系统的网络拓扑结构图；

图2为图1中的传感器节点的功能模块图；

图3为图1中的汇聚节点的功能模块图；

图4为图2中的数据采集单元的工作流程图；

图5为图2中的短距离发线发射器的工作流程图；

图6为图3中的短距离无线接收器的工作流程图；

图7为图3中的远距离无线发射器的工作流程图；

图8为图1中的远距离无线接收器的工作流程图；

图9为图2中的传感器的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明的港口监测系统包括：若干分别用于检测各待测点的状态信息的传感器节点1；与传感器节点1通信联接的汇聚节点2，其用于接收和无线传输传感器节点1检测到的状态信息；一用于接收汇聚节点2输出的状态信息的远距离无线接收器3；以及联接至远距离无线接收器3的上位工控机4，其用于读取远距离无线接收器3接收到的状态信息并执行相应的监测操作。由于本发明采用了分层模块化设计，从而保证了任何一层的改造与扩展相对其他各层均在逻辑上独立，因此具有很大的灵活性和可扩展性。

下面结合图1-9，通过具体实施例对本发明的无线监测系统的各组成部分和工作原理作详细说明：

首先，如图1所示，位于本系统底层的是设置在各待测点的传感器节点1，位于传感器节点1上层的是汇聚节点2。其中，传感器节点1的结构如图2所示，包括：一传感器模块21、一短距离无线发射器22、一联接在传感器模块21与短距离无线发射器22之间的传感器节点1、以及一联接至该传感器节点控制模块22的电源模块23。汇聚节点2的结构如图3所示，包括：依次联接的短距离无线接收器31、汇聚节点控制模块32以及远距离无线接收器3。

结合图2和图3，本发明的工作原理如下：传感器模块21用于检测各待测点的状态信息；传感器节点控制模块22用于将传感器模块21检测到的状态信息编码为预定的数据格式，即，根据预定义协议将状态信息打包为包括帧头、设备IP号、测得的数据、校验码等信息的数据帧；短距离无线发射器22用于将编码后的状态信息无线传输至短距离无线接收器31；短距离无线接收器31接收到状态信息之后将其输出至汇聚节点控制模块32；然后由汇聚节点控制模块32对接收到的状态信息进行解码，以根据自定义协议按不同设备IP号、不同传感器类型等区分方式将接收到的数据信息分别保存在预定义的缓冲区内，然后由远距离无线发射器将缓冲区内的状态信息输出至远距离无线接收器3，最后通过远距离无线接收器3传输至上位工控机4。

在优选的方案中，传感器模块21包括温度传感器、振动传感器、光敏传感器和/或其它传感器，在本实施例中，港口内的各电机、减速机、皮带电机的滚筒等各待测点处均安装有相应传感器，图9示出了一传感器在滚筒上的安装示意图，如图所示，其安装在轴承座91中的安装槽（未示出）内，并且在安装槽的槽口处设有一不锈钢护套管92对传感器进行保护。其中，上述温度传感器优选采用PT100热电阻，其与普通型电阻相比，具有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小、机械性能好、耐振，抗冲击、能弯曲、便于安装以及使用寿命长。

此外，如图2所示，上述传感器节点控制模块22包括：依次联接的数据采集单元221和数据处理单元222，其中，数据采集单元221用于读取传感器模块21检测到的状态信息；数据处理单元222用于对数据采集单元221读取到的状态信息进行过滤，并将符合要求的数据进行编码，然后将编码后的状态信息输出至短距离无线发射器22。

在本实施例中，数据采集单元221采用AD转换器实现，该AD转换器采集传感器模块21输出的相应状态信息，其中，通过配置AD转换器的相应寄存器可以选择不同的AD转换模式。在采集数据时，AD转换器的工作流程如图4所示，数据采集的间隔时间通过定时器实现，即，在定时器中断到来时读取采集到的状态信息，并在读取数据之前先停止AD转换，当读取数据完毕后再重新启动AD转换，而且还需通过设置标志位来记录获取新的数据。

优选地，传感器节点控制模块22采用TI公司的MSP430芯片实现，并结合硬件电路的设计运用了惠斯通电桥原理来进行数据运算，同时根据各传感器的特性，融入二分法递归算法，以保证经处理后的数据的精确性。其中，该芯片是一种超低功耗的混合信号控制器，其具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数产生器使MSP430能达到最高的代码效率，而且其通过采用不同的时钟源工作可以使器件满足不同功耗要求，适当选择时钟源时，可以让器件的功耗达到最小，其外设主要有存储器、时钟模块、定时器、USART和A/D转换器等。传感器节点控制模块22在将状态信息传输至短距离无线接收器31之前还需经过上述过滤和编码处理。

在本实施例中，MSP430芯片通过SPI与短距离发线发射器相连，以控制短距离发线发射器进行数据发送，流程如图5所示，当定时器中断产生时，MSP430芯片将待发数据帧写入预定缓存，然后启动短距离发线发射器将缓存内的数据发送至短距离无线接收器31，当数据发送完成时，发射寄存器清零并设置标志位。

此外，图6还示出了短距离无线接收器31的工作流程图，如图所示，当一接收信号标志到来时，其接收数据，并将接收到的数据送入预定缓存。图7示出了远距离无线发射器的流程图，如图所示，当一发送标志到来时，其向远距离无线接收器3发送数据。而图8示出了远距离无线接收器3的工作流程图，如图所示，当一接收信号标志到来时，其接收数据，并通过RS232总线或者以太网接口将接收到的数据发送至上位工控机4。

在本实施例中，上位工控机4提供了上层应用界面，该应用界面可以是这样一幅地图：在该地图中，各传感器的位置会用图标标示出来，比如：温度传感器以“△”标示，光敏传感器以“☆”标示。当上位工控机4判定接收到的相应传感器检测到状态信息为正常状态时，将使相应图标显示为绿色，表示传感器检测情况正常；当上位工控机4判定接收到的相应传感器检测到状态信息为异常状态时，将使相应图标显示为红色时，以提示工作人员相应的待测点出现异常。此外，将鼠标右点击地图上的图标，会显示各传感器检测到的实时数据，同时可根据要求查看变化趋势图。当然，上位工控机4在接收到相应状态信息以后，还可以根据该状态信息执行其它相应监测操作。

可见，本发明的监测系统是基于无线传感器网络实现的，这样可以带来以下优点：安全性，传感器可以独立式等电位绝缘安装，有效避免爬电影响，不降低电气设备的安全性能；准确性，传感器的安装方式十分接近待测点，能快速准确的监测各待测点的状态变化；灵活性，设备体积小，安装简便、组网灵活，方便监控点数量的增加；易用性，基于优良的操作平台，采用模块化设计，操作简便，方便与各系统的局域网、广域网相联接，融入自动化综合控制系统，同时还方便扩充，保证未来的适应性；低功耗，传感器可以采用低功耗设计，在保证正常测温的情况下，延长传感器的使用寿命。

综上所述，本发明通过物联网、无线传感等技术，将港口内分散的末端设备的温度等信息无线传送到一个统一的上位机平台，以进行统一的监测和分析。本发明的智能化还体现在以下几个方面：自由组网，通过自定义的协议（算法）自组网络，保证了所包含范围内设备的稳定性；跳频技术，利用跳频技术能够有效地解决设备传输间数据冲突的问题；自组网与其它网的联接，末端设备的自组网能够直接与上位工控机4相联，为数据分析做好准备，另外还可直接联接internet公网；传输方式的多样性，由于每个施工现场的情况无法预计，考虑到末端设备的地理位置、方向不尽相同，本发明的传输方式除了能有线/无线的变化，还可根据不同的情况进行单点/多点、远距离传输/近距离传输等多种方式作出调整；电机特性的监测，除了温度监测之外，还能够进一步利用高速AD转换的技术，对末端设备电机的谐波（噪声）情况作检测，甚至可以描述出待测电机工作状态、曲线、故障、开启时间等各类参数；适应室内/室外状态以及热插拔的安装方式；设备控制器的稳定性，选择的控制芯片MSP430具有较强的抗干扰性，通过watchdog具备自恢复功能，另外该控制芯片具有低功耗的特性，在特定的无电源的情况下，可利用电池供电运行较长的一段时间。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的港口监测系统，用于监测港口中的各待测点的状态信息，其特征在于，该监测系统包括：

若干分别用于检测各所述待测点的状态信息的传感器节点；

联接至所述传感器节点的汇聚节点，其用于采集并无线传输所述传感器节点检测到的所述状态信息；

远距离无线接收器，其用于接收并无线传输所述汇聚节点输出的所述状态信息；以及联接至所述远距离无线接收器的上位工控机，其接收所述远距离无线接收器输出的所述状态信息并执行相应的监测操作。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述传感器节点包括：

用于检测各所述待测点的所述状态信息的传感器模块；

联接至所述传感器模块的传感器节点控制模块，其用于将所述传感器模块检测到的所述状态信息编码为预定的数据格式；以及联接至所述传感器节点控制模块的短距离无线发射器，其用于将编码后的所述状态信息无线传输至所述汇聚节点。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述传感器模块包括温度传感器、振动传感器和/或光敏传感器。

4.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述传感器节点控制模块包括：

用于读取所述传感器模块检测到的所述状态信息的数据采集单元；以及与所述数据采集单元联接的数据处理单元，其对所述数据采集单元所读取的所述状态信息进行过滤和编码，并将编码后的所述状态信息输出至所述短距离无线发射器。

5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述数据采集单元包括AD转换器。

6.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述传感器节点还包括联接至所述传感器节点控制模块的电源模块。

7.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述汇聚节点包括：

用于接收所述短距离无线发射器输出的所述状态信息的短距离无线接收器；

联接至所述短距离无线接收器的汇聚节点控制模块，其用于对所述短距离无线接收器接收到的所述状态信息进行解码，并将解码后的所述状态信息写入预定的缓冲区内；以及

联接至所述汇聚节点控制模块的远距离无线发射器，其用于将所述缓冲区内的所述状态信息输出至所述远距离无线接收器。

8.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的港口监测系统，其特征在于，所述远距离无线接收器通过RS232总线或以太网接口与所述上位工控机联接。

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