管道无线传感网络安全预警系统研究

孙晋豪，李国洪

(北华航天工业学院电子工程系，河北廊坊065000)

目前，对于管道的安全预警方法，国内基本上还停留在飞机和人工巡线阶段。国内外的SCADA 监控软件非常丰富，而且功能很强大，但是大多数价格高昂，底层不公开，需要专门维护，不易于低成本应用，也不利于推广。因此开发出一套成本低廉、防护有效的管道安全预警系统势在必行。本项目立足成熟的数据传输技术，借助于已有的网络技术平台，针对特定有警信息和有限功能开发的VB 语言监控软件具有代码简单，易维护，界面简洁，专业定制等特点［1-2］。

1 管网安全预警系统设计

1.1 系统拓扑

管网安全预警系统由大量沿管道预埋布设的带有GSM 无线传输方式的检测节点模块和带有GSM 模块的计算机监控中心两部分组成。检测节点主要由紧贴管道壁的加速度传感器、处理器、GSM 模块、高能蓄电池组成;计算机监控中心由VB 编写的监测报警软件和通过RS232 接口连接到计算机的GSM 模块构成。GSM系统(Global System for Mobile communication)是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善，应用最广泛的一种系统［3-4］。管网安全预警系统示意图如图1所示。

1.2 监控软件功能设计

监控软件由VB 语言编写，实现了对布设在管道沿线的带有GSM 无线传送方式的检测模块的信息采集，具有模块定位、历史查询、声光报警、节点增减、短信报警等功能。监控软件功能示意图如图2。具体功能有如下几点:

1)接受检测节点的报警信息并对监控室人员发出声光警报。当管道有触警事件发生时，通过加速度传感器将信息传给有单片机控制的采集模块，经由DSP组成的分析模块作出判断，是否虚假报警，如果属实发给监控中心报警，若属虚警，抛弃。

图1 管网安全预警系统示意图

2)显示有警终端的具体位置，带有图片电子地图。

3)设定报警手机分组。当监控室人员知道有警报后，选择转发报警人员手机，并能对报警人员的信息进行编辑。

4)终端状态的监控。

5)报警日志的查询。

6)报警级别的设定。

7)统计终端报警信息。

8)终端的加入和移除。

图2 监测软件功能示意图

2 GSM 模块接口通信设计

2.1 串行通信

采用西门子公司的TC35 模块，该模块支持RS232串口九针串口通信方式。采用VB6.0 编写程序，采用MSComm 控件实现串行通信，MSComm 控件的详细配置和内容参见文献［5-6］，项目设计对MSComm 控件的配置如图3。访问TC35 模块主要靠AT 指令，详细AT 指令参考文献［5］。下位机检测节点使用UART与GSM 模块通讯。

图3 MSComm 控件的配置

2.2 GSM 模块访问方法

TC35T/TC35iT 是西门子公司的一个便捷的即插即用解决方案。作为一个终端产品它内置了TC35 无线模块，集成了标准的RS232 接口以及SIM 卡，可以在PC机上用AT 命令通过串口对它进行设置。这使它成为在声音和数据通讯上通用的一个GSM 双频终端产品，可以快速地应用到产品开发上，同时也可以作为产品的一个组成部分和产品结合在一起。在远程通讯和现场监控等诸多无线通讯领域TC35T 将会给工作带来极大的便利。TC35 支持EGSM900 和GSM1800 双频;支持数字、语音、短消息和传真;采用电路交换最高速率为14.4kbps;支持电压范围:8 ～30V，低功耗;采用工业接口;标准协议的认证采用GSM Phase2/2 +标准;体积:65mm×74mm×33mm。

监控软件同下游检测节点的交互通过AT 命令实现对GSM 模块的基本操作，上位机监控软件和下游检测节点有约定好的协议，用于发送短信的AT 命令，如表1所示［1］。具体协议、短信读取、删除可参见下面程序:

在实际的编程中为了方便，用十六进制分析下面例程，也更偏于底层检测节点与TC35 的通信程序设计:

表1 发送短信使用的AT 命令

发送短信可用文本模式和协议数据单元模式(PDU，protocol data unit)。大多手机不支持文本模式，只支持PDU 模式。PDU 模式是把短信正文经十六进制编码后再传送，其编码总体上分为三个部分:服务中心号、接收方手机号、短信内容，如“你好”短信PDU 编码是这样的(其中xyz 是手机号具体数字):

0011000B8131258698 yxFz000801044F60597D，其意义如表2所示。

3 电子地图设计

使用二维BMP 图片，将本区域管道的大致走向标出。同时使用ACCESSS 数据库，将所有检测点的具体位置和编号保存在数据库当中，上位机从串口中读取报警模块的编号和控制字，然后与数据库进行对比，进而知道报警检测模块的具体位置和报警类别。

表2 发送数据分析

4 程序模块和数据库

监控软件的设计分为六个子窗口、一个母窗口和一个全局变量。无论收到数据还是发送指令都要用到串型端口，在监控软件设计方案中就是MSComm 控件。数据库(名称为db1)主要由data，renyuan，state，zhongduan 四个文件构成。

系统连接测试模块(Form1testing)主要完成串口的工作状态或是否占用，测试GSM 模块是否异常，TC35 模块内存的初始化等功能，使用AT 指令很容易实现。

报警人员信息模块(Form2setalarmtel)主要完成收警人员的信息录入和删除，使用ADO 控件实现和ACCESS 数据的连接，使用DATAGRID 控件完成人员信息的显示。

无人值守模块(Form3auto)实现自动监测报警信息，并进行声光报警，然后转发有警信息给相关人员。程序流程图如图4所示。

数据请求模块(Form4dataask)实现对网络下游节点的访问请求，查看检测节点是否故障。

终端设备模块(Form5terminal)实现对下游节点信息的增加和删除。使用的控件有CommandButton，Adodc，DataGrid，TextBox，Label。

图4 自动监测模块流程图

报警历史查询模块(Form6see)实现对报警信息历史的查询，使用的控件有:CommandButton，Adodc，DataGrid。

开机环境模块(MDIForm1)即母窗口实现功能选择，界面切换，时间和日期等。

5 试验及总结

5.1 软件可行性试验

在沿管道布设的检测节点软件内部我们可以设置预警信号的频率范围。检测节点主要由紧贴管道壁的加速度传感器、处理器、GSM 模块、高能蓄电池组成。信号处理算法位于下位机节点的处理器当中。测试节点布局图如图5。

图5 节点布局图

敲击测点1，测量点为0 点，观察不到敲击后的信号。原因分析:①传感器安装点距离泵房墙根仅有2 m，现场有很大的噪音干扰。泵房内输油泵及电机的振动幅值远大于经过数百米衰减之后敲击激励信号的幅值，激励信号被完全淹没，故在时域信号中无明显响应;②锤击点和测量点不在一条直线上，信号不是直线传输，弯曲传输影响到信号的衰减。上位机监控软件不涉及信号处理算法，这里我们只关心时域部分所给信号的频率，现场幅值由于外界环境和传输介质，我们不作为判断依据。我们选择了100M ～900M 的敲击频率。同时考虑地脉动信号图谱。对于地脉动信号系统有很好的过滤性能。同时对100M ～900M 报警准确。

5.2 方案总结

本方案设计的基于GSM 无线管网的安全预警系统，克服了大量其它无线传输方式传感器节点组网路由优化的要求，又克服了采用其它无线方式和混合方式协议复杂且无线拓扑结构复杂等缺点。同时，无人值守监控界面简单直观，带有声光报警和短信通知报警，达到了良好的效果，但是多传感节点信息融合、信息的智能判断和局部网络最大容量问题需继续研究。

［1］求是科技.Visual Basic 串口通信工程开发实例导航［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［2］董红政.基于MSComm 控件实现串行通信的方法［J］.微计算机信息，2007，9(23):145-147.

［3］李煌.基于VB 的自动化测试系统的研究与设计［J］.计算机应用，2007，12(27):239-241.

［4］卢超.分布式矿井温度监测系统的设计［J］.煤炭科学技术，2007，12(35):51-54.

［5］AT Command Set Siemens cellular engines version 2.10［S］.Siemens AG，2001.