[發明專利]陰極保護數據自動采集系統無線傳感器網絡通信協議方法

有效

• 申請號: 201210490646.3
• 申請日: 2012-11-27
• 公開（公告）號: CN103841620B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 徐承偉;薛致遠;陳洪源;郭正虹;畢武喜;王維斌;林明春;姜有文;趙君;陳振華;吳長訪;張豐;滕延平;沈光霽;蔣先堯;陳新華;馮展軍;康葉偉;李明菲;王禹欽;王學一;高山卜
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣股份有限公司
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W80/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所11302
• 代理人: 劉杰

技術領域

本發明是一種陰極保護數據自動采集系統的無線傳感器網絡通信協議方法，涉及數字信息的傳輸和管道系統技術領域。

技術背景

由于監測物理環境的重要性從來沒有像今天這么突出，物聯網已被視為環境監測、建筑監測、公用事業、工業控制、家庭、船舶和運輸系統自動化中下一個發展方向。從實現物聯網的功能來看，由微機電系統、片上系統、無線通信和低功耗嵌入式技術推動發展的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)具有非常好的應用前景。無線傳感器網絡是新型的傳感器網絡，由具有感知能力、計算能力和通信能力的大量微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自配置的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發給觀察者。其強大的數據獲取和處理能力使其得到越來越多的關注。

在我國，石油管道運輸是國民經濟的五大運輸方式之一，為保障其安全性和可靠性需定期采集管道上的陰極保護數據用以監測管道的腐蝕狀況。現有的數據監控方式仍基本采用人工進行，采集一次數據時間很長，同步性非常差。由于管道運輸常常需要跨越偏遠、環境惡劣的無人區域，導致人工監測數據的成本高昂、困難多多。同時，由于管道運輸覆蓋范圍非常大，可達上千公里，導致鋪設和維護有線數據監測網絡的成本和困難難以承擔。因此，建立基于無線傳感器網絡的陰極保護數據自動采集系統是近年來管道運輸安全保障系統的發展方向。

CN102186258A公開了一種基于線形長距離的無線傳感器網絡通信協議方法，該方法設計了一種基于線形長距離的無線傳感器網絡的通信協議方法，主要用來實現拓撲分布為線形長距離的無線傳感器網絡的保障通信。但在現場應用過程中由于傳輸環境復雜，干擾較大的影響，丟包率較高，個別節點訪問時間過長等不足。

無線傳感器網絡通信協議是陰極保護數據自動采集系統開發的一個重點和難點。在實際開發過程中，現有的無線網絡通信協議都因網絡拓撲結構復雜、功耗大、成本高、開發周期長等特點無法滿足上述管道運輸環境的應用需求。基于 此我們提出了應用于陰極保護數據自動采集系統的、具有能簡化實施工作，降低開發成本，縮短開發周期，降低處理器資源占用等特點的無線傳感器網絡通信協議方法。

發明內容

本發明的目的是發明一種適用于石油管道運輸應用環境、具有動態路由選擇、確認重傳、大數據包拆分發送和日志記錄回傳功能的高保障通信、可大幅提升陰極保護數據自動采集系統的工作效率、降低管理成本、保障石油管道運輸安全性的基于陰極保護數據自動采集系統的無線傳感器網絡通信協議方法。

本發明給出適用于管道運輸應用環境特點的無線傳感器網絡拓撲結構設計方案。管道運輸應用環境的地理特征基本為線形（直線或曲線，無重疊和交叉），其所需節點密度低（一般間隔0.5-1km）、延伸距離長，且管道運輸在后期維護時根據實際情況需要增減節點或與其他網絡拓撲結構（如星型、網型）融合成混合網絡拓撲結構。基于管道運輸跨度范圍大、傳輸范圍廣、無人值守、無法持續供電、人工采集和鋪設有線線路成本高昂且實施困難巨大等相關特點，本發明給出了該無線傳感器網絡通信協議方法的整體設計框架、網絡拓撲結構設計、路由算法和相關功能性保障算法等的設計方案。

本發明設計的基于陰極保護數據自動采集系統的無線傳感器網絡通信協議方法，其設計方案主要包含以下部分：

本發明自主設計了滿足特定應用環境特點的無線傳感器網絡三層協議架構，以實現節點之間多跳接力式的通信。通信協議架構從底層到上層依次為：物理射頻層、網絡層和應用層，如圖1所示。

物理射頻層將底層的數據封裝成幀結構，把CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：載波監聽沖突避免）算法植入其中，避免節點遭遇多路信號同時響應的問題；同時物理射頻層將節點物理地址固化其中，并封裝操作底層硬件的軟件接口，為網絡層提供直接控制物理射頻層的代碼接口。

網絡層通過調用物理射頻層封裝的軟件接口實現協議中數據包組建、檢索、輸入輸出(FI FO方式：First Input First Output)控制和網絡層發送接收等接口函數，同時在網絡層植入動態路由選擇算法、確認重傳算法和大數據包拆分發送算法保障在最低功耗下的高效、高保障數據傳輸。