CN204408388U - 基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统，包括安装在储罐上采集信号的传感器节点、可采集信号和汇聚簇内数据的簇头节点，对数据进行传输的中继节点、汇聚数据并连接有线网络的汇聚节点。安装在储罐上的传感器节点和同时可采集信号和融合簇内数据的簇头节点结构相同，包括：CPU、存储器、各种传感器、射频通信单元、电池电压监测单元。该实用新型能有效地广泛用于大型储罐安防监测领域。采用无线传输方式，安装更加简便，获取数据更加完整、准确、便捷。使用该系统可以在提高储罐维护质量的同时还能够降低人员的维护费用。

Description

基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统，属于储存罐监测技术领域。

背景技术

我国新疆地区凭借独特的资源优势有许多酒厂，储酒罐是酒厂酿酒的重要设施。户外环境中，储酒罐的温度参数关系到生产工艺；密闭的储酒罐采用α、β射线仪对罐内酒精液位进行测量，α、β射线仪的放射性会对工作人员造成伤害。因此对户外的储酒罐进行定时监控，以保证酒精在最佳环境下发酵，同时储酒罐是无人值守的，需对非法入侵人员和进入危险区域的工作人员进行报警，成为实现生产自动化高效化的关键环节。传统的温度与入侵检测系统多采用导线连接，在传感器至信号处理器之间需要大量的电缆，而在户外无人地区进行大量的布线十分困难，加之大多数监控多采用人工管理，从而不可避免的存在测控精度低、劳动强度大和测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失。而结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。

无线传感器网络是近年来迅速发展的一种新型的信息获取与处理技术，为此，针对我国新疆地区的无人值守酒厂储酒罐的安防需求，采用无线传感器网络的相关知识可以完全解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统,以便实现无人值守储酒罐的工艺参数（温度）、人员安全、防盗等信息的低功耗、远程采集与控制。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。

一种基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统，包括安装在储罐上采集信号的传感器节点、同时可采集信号和汇聚簇内数据的簇头节点，对数据进行传输的中继节点、汇聚数据并连接有线网络的汇聚节点。

进一步地，安装在储罐上的传感器节点和同时可采集信号和融合簇内数据的簇头节点结构相同，包括：CPU、存储器、各种传感器、射频通信单元、电池电压监测单元。传感器节点可工作在睡眠、监听、发送、接收状态，发送状态下将采集的数据以及电池电压监测信息通过射频通信单元发送给簇头节点；簇头节点采集数据并融合簇内其它节点数据，无线发送给汇聚节点；簇头节点管理簇内所有节点能量信息，当其能量消耗超过阈值时，在其给传感器节点发送的确认信号中，通知下轮更换簇头信息。

进一步地，汇聚节点放在监控室内，有稳定的电源供电，是一个带有无线通信装置和有线通信装置的网关设备。它包括：CPU、存储器、射频通信单元、异步串口、变压器。系统初始化时，汇聚节点发送同步信号使整个无线传感器网络完成初始同步。

正常工作时，汇聚节点负责将传感器网络数据和异常情况信息通过异步串口发送到服务器，同时负责一级簇的时间同步管理，向下发送服务器传来的控制命令等。传感器器节点采集环境数据和检测非法入侵信息，并将数据发给簇头节点；簇头节点融合本簇内数据，或直接或通过中继节点将数据发给汇聚节点；汇聚节点通过UART将监测报警数据发送至服务器，管理终端通过有线网络访问服务器远程获取监测报警信息和进行相应控制。

该实用新型的有益效果在于：该实用新型能有效地广泛用于大型储罐安防监测领域。由于采用无线传输方式，本系统相比有线系统安装更加简便；由于采用无线传感器网络节点周期采集数据并将数据最后发至控制中心，获取数据更加完整、准确、便捷；由于采用基于TDMA和CSMA的联合调度，节点在突发信号处理时隙内能及时将报警信号发至控制中心，提高了系统对突发信号响应的实时性。总之，使用该系统可以在提高储罐维护质量的同时还能够降低人员的维护费用。

附图说明

图1是本实用新型应用于大型储罐安防监测系统的无线传感器网络结构图。

图2是本实用新型的传感器节点的装置结构图。

图3是本实用新型的汇聚节点的装置结构图。

图4是本实用新型的基于无线传感器网络的大型储罐安防监测系统的方法流程图。

图5是本实用新型簇间FDMA复用的示意图。

图6是本实用新型以簇头为基准的自校准同步策略流程图。

图7是本实用新型的时钟漂移容错策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本实用新型。

图1是本实用新型应用于大型储罐安防监测系统的无线传感器网络结构图。该监测系统包括安装在储罐上采集信号的传感器节点、同时可采集信号和汇聚簇内数据的簇头节点，对数据进行传输的中继节点、汇聚数据并连接有线网络的汇聚节点。

传感器器节点采集环境数据和检测非法入侵信息，并将数据发给簇头节点；簇头节点融合本簇内数据，或直接或通过中继节点将数据发给汇聚节点；汇聚节点通过UART将监测报警数据发送至服务器，管理终端通过有线网络访问服务器远程获取监测报警信息和进行相应控制。

图2是本实用新型传感器节点的装置结构图。安装在储罐上的传感器节点和同时可采集信号和融合簇内数据的簇头节点结构相同，包括：CPU、存储器、各种传感器、射频通信单元、电池电压监测单元。传感器节点可工作在睡眠、监听、发送、接收状态，发送状态下将采集的数据以及电池电压监测信息通过射频通信单元发送给簇头节点；簇头节点采集数据并融合簇内其它节点数据，无线发送给汇聚节点；簇头节点管理簇内所有节点能量信息，当其能量消耗超过阈值时，在其给传感器节点发送的确认信号中，通知下轮更换簇头信息。

图3是本实用新型的汇聚节点的装置结构图。汇聚节点放在监控室内，有稳定的电源供电，是一个带有无线通信装置和有线通信装置的网关设备。它包括：CPU、存储器、射频通信单元、异步串口、变压器。系统初始化时，汇聚节点发送同步信号使整个无线传感器网络完成初始同步。 正常工作时，汇聚节点负责将传感器网络数据和异常情况信息通过异步串口发送到服务器，同时负责一级簇的时间同步管理，向下发送服务器传来的控制命令等。

图4是本实用新型的基于无线传感器网络的大型储罐安防监测系统的方法流程图，具体步骤如下：

步骤1：首先在下载程序的时候，给每一个节点编上唯一的ID号，节点包括普通传感器节点、簇头节点、中继节点、汇聚节点；

步骤2：将节点安装到储罐上特定位置上，用于周期性采集环境数据和检测红外入侵信号；

步骤3：打开节点开关，汇聚节点外的所有节点上电工作在侦听状态；

步骤4：操作人员控制汇聚节点开始工作，汇聚节点开始广播同步信号完成一级簇的时间同步；一级簇的子节点即二级簇的簇头完成同步后，切换到各自二级簇的频道并广播同步信号以完成二级簇的同步；

 步骤5：没有完成同步的节点通过继续侦听相邻节点的周期信号或簇头的确认信号来完成时间同步；

步骤6：节点先根据簇头上轮给其发送的确认信号判断是否需要调整时隙，若需要，则按簇头给出的调整量校准工作时隙；

步骤7：传感器节点将采集的周期数据，历史报警信息，能量信息发送至簇头；

步骤8：簇头回复传感器节点确认信号，若传感器节点未接收到确认信号，将重新发送，最多发送3次；

步骤9：每个节点的周期信号时隙结束后，都有一段突发信号时隙。在此时隙内，各传感器节点均工作在监听状态。

步骤10：簇头节点融合本簇数据或直接或通过中继节点将其发送至汇聚节点；

步骤11：汇聚节点将数据发送到服务器，操作人员可以通过登陆服务器查看储罐信息并进行相应控制；

步骤12：若控制中心停止网络工作，汇聚节点将发送停止工作命令，否则传感器网络继续工作。

图5是本实用新型簇间FDMA复用的示意图。与基于簇的层次型网络拓扑结构相对应，本实用新型采用基于簇的网络分频机制。图5所示的是一个具有m个簇的两层网络的频道分配情况，整个系统的频道分配按两个阶段进行：1）在系统初始化阶段，在系统汇聚节点、各级簇头的管理下，实现网络的分级同步，分频策略是采用分级以簇头为基准的策略，在一级簇同步阶段，所有的簇头节点处于汇聚节点的频道内，接收来自汇聚节点的同步信号，完成一级簇的同步，在二级簇同步阶段，簇头分别将频道切换到本簇的频道，向簇内节点广播同步消息，实现二级簇的同步，对于一个具有n级簇的网络，以此类推；2）在系统工作阶段，簇头节点通过频道切换（本簇频道和上级簇频道），实现各级簇之间的消息连通。

 图6是本实用新型以簇头为基准的自校准同步策略流程图。以簇头为基准的自校准策略主要解决时钟漂移等因素导致的时隙交叠问题，基本思想是：以簇头的时钟为基准，实时调整簇内节点跟簇头的时钟差异，以达到相对同步的目的。具体的实现方法如下：

步骤1：簇头节点为系统内各个传感器节点维护一个期望工作时隙；

步骤2：簇内各个传感器节点分别维护一个实际的工作时隙；

步骤3：簇内传感器节点在发送周期性信号包给簇头节点时，将发送时刻的时标捎带着发给簇头节点；

步骤4：簇头节点在收到传感器节点的周期性信号包时，记录本地的时标，通过比较本地时标和接收到的传感器节点的时标，以簇头时钟为基准，判断传感器节点的时钟偏差，在返回给传感器节点的确认包中给出时隙的调整量；

步骤5：传感器节点收到簇头的时隙调整量后，并不立即调整工作时隙，而是在下一轮采样周期中调整工作时隙。

图7是本实用新型的时钟漂移容错策略示意图。本实用新型的以上同步方法是一种后同步方法，当偏差出现以后才进行调整，是一种有差调节，为了完全防止突发信号和周期信号的冲突，本实用新型采用了如图7所示的漂移容错策略，通过在周期信号访问时段和突发信号访问时段之间加保护时间来实现，其缺点是损失了一定的突发信号响应时间，优点是使系统对时钟漂移有了一定的容错能力，减少了数据碰撞。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统，其特征在于：包括安装在储罐上采集信号的传感器节点、同时可采集信号和汇聚簇内数据的簇头节点、对数据进行传输的中继节点、汇聚数据并连接有线网络的汇聚节点，所述汇聚节点放在监控室内，有稳定的电源供电，为带有无线通信装置和有线通信装置的网关设备，包括CPU、存储器、射频通信单元、异步串口和变压器。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的储罐温度与入侵检测系统，其特征在于：所示安装在储罐上的传感器节点和同时可采集信号和融合簇内数据的簇头节点结构相同，均包括CPU、存储器、各种传感器、射频通信单元和电池电压监测单元。