基于无线传感器网络与GIS的设备综合监管系统

张 熠

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，南京 210003）

0 引言

对设备状态进行有效监管是现代企业生产管理的一个重要环节。监管方式通常包括无人值守自动实时监控和人员定期现场巡检，其中监控系统常采用PLC、嵌入式监控专用设备等前端装置，连接方式有工业以太网，现场总线等；巡检管理通常由巡检人员执便携式巡检仪读取设备标识，再通过集中采集器上传至管理系统。传统方案有一些不足之处，如有线方式联网存在实施难度大、覆盖面局限性大；监控通常与巡检相互独立，不利于信息融合、提高处理效率；巡检数据传输具有滞后、单向性的不足，容易出现漏检；系统缺乏统一规范，升级不便，不利于管理平台功能扩展等。

物联网、GIS等技术的发展，为设备监管系统改进升级提供了更多的支撑手段，融入多种技术有助于使自动化装置与管理系统在数据融合、实时性以及人机交互性等方面改进，从而提高监管效率。

1 系统结构与方案特点

系统结构如图1所示。在设备现场构建由传感器节点、路由节点、网关节点等构成自组织无线传感器网络（WSNs），负责采集设备状态信息与巡检记录，传感器节点兼有数据采集与RFID阅读功能，实现监控和巡检管理的硬件集成；WSNs依据OPC规范，通过工业以太网接入管理平台，使系统具有开放性和可扩展性，或便于融入原有系统；管理平台采用C/S、B/S混合架构，C/S系统由多台管理计算机（包含服务器与客户机）配置相应功能与权限的管理软件构成，主要在企业内运行，具有速度快、安全性好、人机交互能力强等优点；B/S系统采用四层结构，实现异地、垮平台查询与维护；系统除数据服务器与Web服务器外，配置GIS（地理信息系统）服务器，构建电子地图化的工作环境，提高检视直观性，改善平台可操作性。因此本方案较好地解决了传统监控与管理模式的不足，实现了自动监控与实时巡检管理的综合，提高了设备监管系统的效能[1～3]。

图1 系统结构图

2 WSNs节点设计

2.1 巡检与监控传感器节点设计

在监控区域设置无线传感器网络，网络节点包含三种：传感器节点、路由节点和网关节点。传感器节点从具体功能角度可称为巡检与监控节点，即承担两种功能：设备运行环境、设备状态参数的采集以及巡检记录的生成和上传。其硬件结构框图如图2所示。

图2 传感器节点硬件框图

节点处理器采用低功耗单片机MSP430F247，它具有8路12位ADC，具有USCI_A、USCI_B各两个接口，分别可以配置成I2C、SPI或UART，由于目前大量专用器件采用SPI或I2C等接口，为系统设计和简化电路带来极大便利。图中节点外设包含MFRC522模块、MC13193射频模块、存储器都使用USCI接口。节点配置4路开关量与8路模拟输入以及4路开关量输出，可以采集如温度、湿度、振动、压力、流量等信息，也可控制部分设备的启停，实现设备状态实时监控；实时时钟采用DS1302；MFRC522是NXP公司RFID读写控制芯片，基于该芯片实现巡检人员RFID读取；巡检人员通过按键录入点检评价、预警信息，形成巡检记录，管理平台也可以发送响应或控制信息至特定传感器节点，实现巡检与监控管理的实时性和双向性。

MC13193是符合ZigBee（IEEE 802. 15. 4）标准的具有调制解调功能的射频收发芯片。其工作频率是2.405 ～ 2.480 GHz，每5MHz分割一个信道，可供使用的信道达16个，数据传输速率为250 kbit/s，采用O-QPSK调试方式。该芯片具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期；芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为0～4dBm，接收灵敏度可以达到-92dBm，传输距离30～70m[4]。系统中将MSP430F247的USCI_A0口配置成SPI并使用部分P2口线控制MC13193，实现节点间无线通信和组网，如图3所示。

图3 传感器节点MC13193射频模块电路

2.2 传感器节点RFID阅读器设计

节点采用MFRC522实现ISO14443A标准的RFID读写，该芯片是NXP公司生产的低电压、低成本、体积小的RFID读写控制器，集成了在13.56MHz下各种类型的被动非接触式通信协议，支持ISO14443A标准的多层应用。其内部发送器可驱动读写器天线与ISO14443A/MIFARE卡和应答机的通信，接收器部分具有解调和解码电路，用于处理与ISO14443A兼容的应答器信号[5]。

MFRC522与处理器的连接支持I2C、SPI、UART等多种串行方式。在本节点中，将MSP430F247的USCI_B1口配置成I2C与MFRC522相连，如图3所示。MFRC522设备的地址由EA与D1～D6共同确定。在MFRC522天线及其匹配、滤波和接收电路中，接收电路的元件Cmid、R1、Crx、R2以及滤波电路元件L0、C0的参数值是固定的，天线匹配电路中C1、C2与Ra的值由设计的天线确定。为获得良好性能，应通过天线调谐过程取得相关参数。

图4 传感器节点RFID阅读器模块电路

2.3 网关节点以太网接口

在本系统中网关节点将WSNs与企业内部工业以太网相连。节点的以太网控制器采用ENC28J60，该控制器符合以太网规范IEEE802.3，集成MAC和10 BASE-T PHY；采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制，通过内部DMA模块实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验；结构简单，通过SPI接口操作，配备该接口的主控制器只需一片ENC28J60、两个脉冲变压器和一些无源元件，即可实现10 BASE-T网络接口，其SPI传输速度最高为10Mb/s。MSP430F247的USCI_B0口配置成SPI与ENC28J60相连。

3 WSNs以OPC规范接入管理平台

测控自动化系统中涉及多种硬件设备与不同网络结构，其数据格式、通信协议各不相同。OPC（OLE for Process Control）以微软的COM（组件对象模型）和DCOM（分布式组件对象模型）技术为基础，定义了一套标准接口，使不同的应用程序、控制器能够进行数据交换[1]。因此采用OPC便于实现复杂系统中的数据交互，子系统可灵活组合，且不会影响原有系统，可大大提高系统的可扩展性和系统集成的兼容性，便于系统的升级和日常维护，提高了系统运行的稳定性和可靠性。

本系统中，WSNs网关节点通过工业以太网接入综合管理平台，管理平台为C/S、B/S混合架构，其中C/S系统服务器也是OPC客户端，通过OPC服务器获取网关数据，保存于数据库服务器。OPC服务器包含3个模块：OPC通讯模块、翻译/映射模块和本地通讯模块。OPC通讯模块主要负责与OPC客户端进行通讯；本地通讯模块是与底层设备即WSNs的通讯部分；翻译/映射模块的任务是翻译来自OPC客户端的OPC请求，并且将这些请求转换为与数据发送端即WSNs的交互请求，或反之。

4 基于GIS的电子地图化监管平台

GIS是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统，是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机软硬件系统为平台的空间分析即时技术。作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了迅猛发展和广泛应用。

本系统中，利用GIS技术，对空间信息要素、传感器节点分布、设备监测数据、人员信息等空间、属性数据进行管理，并直观地在管理平台中反映出来，可提高分析处理、决策指挥的科学性。通过构建基于电子地图化的协同工作环境，使信息查询、浏览更加便利和直观，实现高层次的运行控制和决策支持系统。通过电子地图显示设备、传感器节点分布，具有全局、放大、缩小、鹰眼等功能，设备运行状况用不同颜色显示；便于对告警点快速定位、及时响应；对巡检漏检点可通过CTI自动呼叫系统及时通知巡检人员；也便于设定重点、特殊区域提高监管力度，使系统的现场感知与监控效能大大提高。系统采用ArcGIS Server 9.3构建GIS服务器，使用SQL Server2005为基础数据库，空间信息数据库采用GeoDatabase，使用ArcSDE 9.3为空间数据引擎，采用MicrosoftVisual Studio. NET开发环境，C/S系统采用C#.NET语言，B/S系统采用ASP.NET基于WebService模式开发。平台采用B/S、C/S混合架构，可以兼有二者的优越性。在要求数据查询灵活、安全性要求较高、交互性强、响应速度快的地方使用C/S模式，在C/S模式下客户机利用客户端应用程序，通过与数据库管理系统（DBMS）的数据库接口交互实现数据的查询、处理等功能；B/S模式在分布性、跨平台、信息发布方面有优势，对不同层级管理人员依据权限提供报表查询、管理维护接口，Web服务器将数据以Html形式提交查询浏览器，供用户作浏览查询、维护等处理[6]。

5 结束语

利用物联网、GIS等技术，实施智能设备监控管理系统升级，是现代企业保障设备安全高效运行、不断提供生产体系综合效率的重要手段。本系统基于WSNs实现了实时自动监控与人工巡检管理的集成，并具有实时性和双向性；采用GIS电子地图化监管平台有利于实现高效的运行控制和决策支持系统；采用OPC规范保证了系统的兼容性与开放性； C/S与B/S混合架构也使系统兼有二者的优点。本系统体现了综合运用多种技术实现综合性设备监管以提高管理效率的特点。

[1] 吴明永,王国伟,吴明亮.基于OPC、Ethernet和Profibus技术的网络系统设计[J].电气自动化,2011,33(6):20-23.

[2] 邴志刚等.基于RFID和WSNs的钢瓶综合监管系统[J]．计算机工程,2009,35(8):277-279.

[3] 巩伟等.感知矿山GIS监控系统关键技术研究[J].金属矿山,2011,(12):98-101

[4] 张兵,林建辉,伍川辉.基于ZigBee无线网络技术的客车安全监测系统[J].电子技术应用,2007,(9):45-48.

[5] 莫西,吴云洁.RFID与WSN融合技术中软硬件接口的研究与实现[J].微型电脑应用,2011,28(7):5-10

[6] 王清,赵辉,王红君,等.基于B /S、C /S模型协调控制的电厂远程监控系统研究[J].天津理工大学学报,2009,25(5):36-38.