《无线传感器网络技术在海洋平台结构安全检测领域的应用研究》.doc

无线传感器网络技术在海洋平台结构安全检测领域的应用研究 引 言 　　中国海洋石油开发事业已经走过了50个春秋，随着海洋石油事业的发展，早期投入生产的海洋石油设施已逐渐临近设计寿命末期，甚至超出了设计的服役期。因此，海洋平台结构安全检测监测乃至安全等级的评定工作已经提上议程，成为了人们越来越关注的焦点。 　　无线传感器网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域，能够实时地感知、采集和处理网络覆盖范围内的对象信息，并本文由发送给观察者。它具有覆盖区域广，可远程监控，监测精度高，布网快速和成本低等优点[1]。因此，把无线传感器网络技术应用到海洋平台结构安全检测监测系统中，是海洋工程领域近年来研究的重点。 　　1 无线传感器网络体系架构研究 　　在不同应用中，无线传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。无线传感器的类型由被监测物理信号的形式决定。处理器通常选用嵌入式CPU，如Motorola的68HC16，ARM公司的ARM7和Intel的8086等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，比如RFM公司的TR1000等。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，无线传感器网络需要一个微型化的操作系统，如嵌入式Linux。 　　启发于现有的、比较经典的、成功的传感器网络体系构架设计，对无线传感器网络体系进行的构架设计如图1所示。该设计分为四层：其中，数据采集层主要是对海洋平台各个节点进行实时的振动数据采集并就无线传感器节点采集的数据进行简单处理，主要是减弱甚至去除背景噪声，放大需要的信号数据。数据传输层分为监控中心（上位机）、协调器、终端节点（即无线传感器节点）三个级别。上一层的数据管理中心可以查看下一层的数据，下一层的数据管理中心有义务定时地向上一层的数据管理中心上传必威体育精装版采集的数据。网络层再对各个协调器将自己管辖范围内的各个区域的数据收集后，进行周期性的处理，以确定是否该区域有异常事件发生，并将一些基本的检测数据进行上传，其中监控中心的数据处理分别确定该级别的数据是否异常，做好备份处理并对数据进行统一格式的存储和管理。应用系统层主要是对不同层次的数据进行分析处理，并进行相应的预测和故障排除，如及时地预报平台结构是否出现或将会出现损伤，如果出现损伤，则分析损伤出现在何处，是什么原因造成的，并将分析结果提供给维修人员进行相应的维修处理。 　　2 无线传感器网络大规模组网技术及网络管理研究 　　无线传感器网络大规模组网技术及网络管理研究的目的是研制适用于规模性密集布设和自治组网的无线传感器节点。当数量巨大的无线传感器节点被随机布设后，自治组网和网络管理成为网络运行和业务应用的一个核心问题。自治组网和网络管理需要无线传感器节点和网关设备的底层支持，论文来源其实现需要软硬件的协同设计来完成。因此，研究大规模组网和网络管理技术将为无线传感器节点、网关设备和系统软件的研究提供技术支撑。大规模组网及网络管理的关键技术主要包括时间同步机制、网络拓扑控制和网络安全等[2]。 　　2.1 时间同步机制研究 　　时间同步机制是协同无线传感器网络的一个关键机制，是高效路由、定时唤醒、冲突避免等技术的基础。目前，已经提出了多种时间同步机制，如参考广播同步（RBS）、时间同步协议（TPSN）和TYNY/MINI-SYNC等，但都存在一定的缺陷。例如，RBS由于需要用于广播交换以得到成对节点同步的开销，随着网络密度的增加，这种开销也随之增加；TPSN由于采用了分级的方式和传统的同步方式，使得同步效果比较好，但是增加了能耗和复杂度；MINI-SYNC算法的复杂度相对较低，但是对于计算和存储的要求较高。 　　由于海上施工作业需要能够快速布设仪器、快速组网、仪器低功耗，特别要求时间同步精确度高，因此无线通信方式的采用直接影响着分布式数据采集系统的时钟同步。当仪器工作时，所有数据采集节点都依靠本地晶体振荡器提供时间基准，其相互之间以及与主控节点之间完全不存在同步关系。由于晶体振荡器之间不可避免地存在细微的频率偏差和时钟漂移，即使初始同步的多个时钟在经过一定时间的运行后也将出现较大的时间偏差，从而影响数据同步采集的精度。由于在每个传感器节点中采用高精度、低漂移的晶体振荡器从成本上考虑是无法接受的，这就需要研究无线通讯网络支持下的分布式数据采集系统的始终精确同步技术。利用无线通讯链路对系统内独立运行的多个时钟进行周期性的定时校正，可以保证所有数据采集节点的本地时钟都以主控节点时钟为基准，向主控节点时钟对齐。由于是基于无线通讯网络的时钟同步，实际方案设计中还需要综合考虑时钟定时所产生的数据量对无线网络负载流量的影响及无线网络数据包传输时间的抖动效应。 　　2.2 网络拓扑控制研究 　　2.2.1 网络拓扑控制的意义