基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统及方法.pdf

基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统及方法，它涉及油田和矿业设施的监控系统和方法。它克服了有线组网方式布线困难、难定位和排除故障点慢的缺陷，解决了便携式采集设备拆装时磨损严重、GSM短信息的监测方式滞后、丢失等问题。系统包括传感器模块、执行器模块、ZigBee终端节点、路由节点、协调器节点模块和本地监控中心服务器。监控方法包括以下步骤：传感器模块采集被监控对象的位置和工作状态信息并转化为数据信息；数据信息通过ZigBee无线通信网络传递到本地监控中心服务器；本地监控中心服务器产生对被监控对象的控制指令并通过ZigBee无线通信网络传递回来，控制指令通过执行器模块施加到被监控对象上。

1、  基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统，其特征在于它包括：
传感器模块(2)：用于检测和识别被监控对象(1)的位置和工作状态，并将识别到的位置和工作状态信息转换为数据信息；
执行器模块(3)：用于执行ZigBee终端节点模块发来的控制指令，对被监控对象(1)的状态进行调节和控制，使被监控对象的状态保持在系统预设的正常状态下；
ZigBee终端节点模块(4)：用于将传感器模块(2)传来的数据信息发送给ZigBee路由节点模块(5)，并接收来自ZigBee路由节点模块(5)的控制指令；
ZigBee路由节点模块(5)：用于将来自ZigBee终端节点模块或邻近ZigBee路由节点模块的数据信息发送给邻近的ZigBee路由节点模块或ZigBee协调器节点模块(7)，并将来自ZigBee协调器节点模块(7)或ZigBee路由节点模块(5)的控制命令发送给ZigBee路由节点模块或ZigBee终端节点模块；
ZigBee协调器节点模块(7)：用于将来自ZigBee路由节点模块的数据信息通过串行总线或以太网传至本地监控中心服务器(8)，并将本地监控中心服务器(8)发出的控制命令发送给ZigBee路由节点模块；
本地监控中心服务器(8)：处理和分析ZigBee协调器节点模块(7)发来的被监控对象的工作状态，将相应的控制命令再下达给ZigBee协调器节点模块(7)；
多个ZigBee终端节点模块(4)、多个ZigBee路由节点模块(5)和ZigBee协调器节点模块(7)组成了ZigBee无线通信网络。

2、  根据权利要求1所述的基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统，其特征在于它还包括异地监控中心(9)，异地监控中心(9)通过油田现有的光纤网络，与本地监控中心服务器(8)联网，实现油田各生产信息的共享和交互。

3、  根据权利要求1所述的基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统，其特征在于多个ZigBee终端节点模块、多个ZigBee路由节点模块和ZigBee协调器节点模块组成星形网、树形网、网状网或上述三种网的结合。

4、  根据权利要求1所述的基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统，其特征在于组成ZigBee无线通信网络的各ZigBee模块间的最远距离应小于45米。

5、  基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统的监控方法，其特征在于它包括下述步骤：一、传感器模块(2)采集被监控对象(1)的位置和工作状态信息，并将其转化为数据信息；二、传感器模块(2)将数据信息传递到ZigBee终端节点模块(4)，并通过ZigBee终端节点模块(4)、ZigBee路由节点模块(5)和ZigBee协调器节点模块(7)所组成的ZigBee无线通信网络把数据信息传递到ZigBee协调器节点模块(7)；三、本地监控中心服务器(8)把ZigBee协调器节点模块(7)接收到的数据信息进行分析，得到被监控对象(1)的状态，从而产生对被监控对象(1)的控制指令；四、控制指令传递到ZigBee协调器节点模块(7)，并通过ZigBee无线通信网络传递到ZigBee终端节点模块(4)；五、控制指令通过执行器模块(3)施加到被监控对象(1)上，实现对被监控对象(1)的定位和工作状态的调节与控制。

基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统及方法
技术领域
本发明涉及一种油田和矿业设施的智能定位和监控系统，本发明还涉及应用这种智能定位和监控系统的监控方法。
背景技术
随着世界科技和经济的高速发展，人们对生产现场各种资源信息的获取和控制倾向于自动化、智能化，特别是具有危险性、人力不方便触及、数量巨大的设备参数控制等方面。例如：人们对石油的需求日益增大，石油资源又是一种不可再生的天然资源，加之油田企业各岗位原则上不增编的用人机制，在此种条件下如何确保油田企业安全、高效稳产是油田企业所面临的严峻现实。油田采油通常由油井、计量站、中转站、联合站、原油外输系统、油罐、天然气罐以及油田的其它设施组成，整个采油厂、矿、站各种生产设施的工作状态及其产品(如水、油、气等)的相应数据(如温度、压力、流量等)就直接关系到油田生产的稳定及安全，而这些重要数据目前大多由人工方式每日定时检查设备运行情况并测量、统计相关各生产数据，这种客观条件必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与生产数据的实时性，甚至准确性，同时存在疏漏、笔误和作假等隐患。目前，我国一些油田企业也采取一些通过诸如RS485总线形式的局域有线网、便携式采集设备的方式或以GSM短信息的方式达到对油井部分生产数据监测和统计之目的，一定程度上解决了上述问题，但这些技术有较大的局限性。首先，油田各采油厂、矿、站需要监测的设备量较大，并相对分散，有线组网方式布线困难，灵活性差，建设成本高，而且出现网络故障时短时间内很难定位和排除故障点；其次，油田各采油厂、矿、站内通常都有大功率的电机、泵机甚至变电站，这些设备工作时所产生的干扰可直接侵入网络而导致有线网络瘫痪，严重时周边设备都不能正常工作；第三，有线网络对油田各设备的检修产生一定程度的障碍，一旦维修人员维修时不小心可能导致有线网络的物理连接失效，使有线网络不能正常工作。至于便携式采集设备，其只能解决部分生产设备或数据的采集和监测问题，而且由于其采集时需要人工安装到相应生产设备上，将相应数据采集到便携式设备中，需要经常拆装，其与生产设备的接口部分磨损严重，常出现接触不良或无法连接的问题，并且将采集来的生产数据需要人工方式再上传至生产监测分析系统，仍然存在数据的实时性差和便携式设备丢失等问题；采用短消息的方式也存在上述问题；如专利号为ZL02238313.1的“油田生产设备无线监控管理系统”，其基于全球通(GSM)的短消息(SMS)或无线分组网(GPRS)通信方式实现的仅是对油井设备的监控，虽然解决了油田井口一些设备的监控问题，但仍然存在短消息滞后、丢失、GPRS掉线等通信受阻问题，其通信设备相对于ZigBee模块成本高、还需长期缴纳信息服务费，该系统的实时性、可靠性和控制的安全性差。
传感器技术是一种自动检测技术，被广泛应用于工业自动检测领域；ZigBee(802.15.4协议)技术是一种新一代的短距离双向无线通信技术，具有低成本(免执照频段、免专利协议)、低功耗(省电)、网络容量大、安全性高、抗干扰力强、网络自愈力强的特点，二者融合并辅以相应控制器可克服以上组网方式或系统的局限性，彻底实现油田信息的智能化定位、监测和控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统及方法，以克服油田企业目前采用的局域有线组网方式布线困难、灵活性差、建设成本高、出现网络故障时短时间内很难定位和排除故障点、设备工作时所产生的干扰以及维修人员维修时的不小心都可能导致有线网络不能正常工作或瘫痪的缺陷；还克服了便携式采集设备需要经常与相应生产设备拆装所出现的接口部分磨损严重的缺陷，还克服了以GSM短信息的方式进行监测存在短消息滞后、丢失、GPRS掉线等通信受阻问题。
本发明的基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统包括：
传感器模块2：用于检测和识别被监控对象1的位置和工作状态，并将识别到的位置和工作状态信息转换为数据信息；
执行器模块3：用于执行ZigBee终端节点模块发来的控制指令，对被监控对象的状态进行调节和控制，使被监控对象的状态保持在系统预设的正常状态下；
ZigBee终端节点模块4：用于将传感器模块2传来的数据信息发送给ZigBee路由节点模块5，并接收来自ZigBee路由节点模块5的控制指令；
ZigBee路由节点模块5：用于将来自ZigBee终端节点模块4或邻近ZigBee路由节点模块5的数据信息发送给邻近的ZigBee路由节点模块5或ZigBee协调器节点模块7，并将来自ZigBee协调器节点模块7或ZigBee路由节点模块5的控制命令发送给ZigBee路由节点模块5或ZigBee终端节点模块4；
ZigBee协调器节点模块7：用于将来自ZigBee路由节点模块5的数据信息通过串行总线或以太网传至本地监控中心服务器8，并将本地监控中心服务器8发出的控制命令发送给ZigBee路由节点模块5；
本地监控中心服务器8：处理和分析ZigBee协调器节点模块7发来的被监控对象1的工作状态，将相应的控制命令再下达给ZigBee协调器节点模块7；
多个ZigBee终端节点模块4、多个ZigBee路由节点模块5和ZigBee协调器节点模块7组成了ZigBee无线通信网络。
基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统的监控方法，它包括下述步骤：一、传感器模块2采集被监控对象1的位置和工作状态信息，并将其转化为数据信息；二、传感器模块2将数据信息传递到ZigBee终端节点模块4，并通过ZigBee终端节点模块4、ZigBee路由节点模块5和ZigBee协调器节点模块7所组成的ZigBee无线通信网络把数据信息传递到ZigBee协调器节点模块7；三、本地监控中心服务器8把ZigBee协调器节点模块7接收到的数据信息进行分析，得到被监控对象1的状态，从而产生对被监控对象1的控制指令；四、控制指令传递到ZigBee协调器节点模块7，并通过ZigBee无线通信网络传递到ZigBee终端节点模块4；五、控制指令通过执行器模块3施加到被监控对象1上，实现对被监控对象1的定位和工作状态的调节和控制。
本发明具有成本低、ZigBee模块工作时间长(两节5号电池能工作6～24个月)、安全性高、抗干扰力强、组网灵活(拆装方便)、定位方便、网络容量大、网络自愈力强的优点，并通过本地监控中心服务器8的管理系统软件实现对系统信息的监控和管理，本发明可有效降低油田工人的劳动强度，彻底解决了人工巡检方式、短消息方式以及其他方式采集和监控油田生产数据的不足和局限性。本发明可最大限度地利用油田和矿业现有的系统或网络，变革油田和矿业信息系统原有分散、独立的集合式监管为以各级监控中心为核心的集成式监管，真正做到油田和矿业信息的智能化、实时化、网络化、系统化，特别是对重大突发事件的实时分析、决策和解决发挥不可替代的作用。本发明还可应用于市政、军事、电力、水利、能源矿业、家庭自动化、遥测遥控、监狱、交通、汽车自动化、农业自动化、物流管理和医疗护理等领域，另外随着ZigBee芯片技术的完善，其还可以对局部区域内的移动目标例如车辆、监狱的服刑人员等进行跟踪和高精度定位。
本发明采用ZigBee无线通信网络的无线通信技术和传感器技术组建无线传感器通信网络，并运用计算机技术、自动控制技术、嵌入式开发技术、现代通信技术、组态技术、音视频监控技术、GIS、GPS以及现代软件工程理论和软件编程方法等技术来解决行业信息化中的生产信息的智能监测与控制，可应用于各相关行业的各种信息化监测与控制领域。能用于油田的油井、计量站、联合站、油品集输、油罐、天然气等各种重要设施或安全生产场所，监测、采集和汇集生产各环节的数据，并进行相应的分析、定位、处理和控制，属电子信息化的无线网络通信领域。
附图说明
图1是本发明系统与被监控对象连接的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由下述装置组成：
传感器模块2：每个传感器模块分别对应于一个被监控对象并且从1～n整数编号，用于检测和识别被监控对象的位置和工作状态，并将识别到的位置和工作状态信息转换为数据信息；
执行器模块3：每个执行器模块对应于一个被监控对象并且从1～n整数编号，用于执行ZigBee终端节点模块发来的控制指令，对被监控对象的状态进行调节和控制，使被监控对象的状态保持在系统预设的正常状态下；
ZigBee终端节点模块4：用于将传感器模块2传来的数据信息发送给ZigBee路由节点模块5，并接收来自ZigBee路由节点模块5的控制指令，经串行接口发给执行器模块3，同一网段的ZigBee终端节点模块的编号是1，2，3，……，n的整数，n通常小于65000；
ZigBee路由节点模块5：用于将来自ZigBee终端节点模块或邻近ZigBee路由节点模块的数据信息发送给邻近的ZigBee路由节点模块或ZigBee协调器节点模块7，并将来自ZigBee协调器节点模块7或ZigBee路由节点模块5的控制命令发送给ZigBee路由节点模块或ZigBee终端节点模块；
ZigBee协调器节点模块7：用于将来自ZigBee路由节点模块的数据信息通过串行接口或以太网接口传至本地监控中心服务器8，并将本地监控中心服务器8发出的控制命令发送给ZigBee路由节点模块；
本地监控中心服务器8：处理和分析ZigBee协调器节点模块7发来的被监控对象的工作状态，将相应的控制命令再下达给ZigBee协调器节点模块7；与ZigBee协调器节点模块7直接相连接的监控服务器或服务器群所构成的局域网络称本地监控中心，其通过监控服务器或服务器群内的监控系统软件，处理和分析ZigBee协调器节点模块发来的油田生产信息，将相应的控制信息再下达给ZigBee协调器节点模块，可以运用组态技术、自动控制技术以及中间件技术实现系统融合并直观地实时在大屏幕上显示和配以声光警示，同时将必要的相关信息通报异地监控中心；
多个ZigBee终端节点模块4、多个ZigBee路由节点模块5和ZigBee协调器节点模块7组成了ZigBee无线通信网络。上述模块都由ZigBee CC2431芯片及其外围电路构成，用汇编和C语言编程，可将计算机的串口连接模块的I/O扩展口，用烧录器可对芯片烧录不同的程序即可方便制作上述三种模块；
本发明所针对的被监控对象1指油田和矿业的各采油或矿厂、站、队生产中所关注的各种生产设备、生产状态、生产参数等信息，被监控对象的编号N可以取1，2，3，……，n的整数。被监控对象可以是各管线(水、气、油)的压力、温度、流速流量等和电机的工作电压、电流和功率等。
传感器模块2、执行器模块3、ZigBee终端节点模块4和ZigBee路由节点模块5都可以同时使用多个，本地监控中心服务器8可以由服务器群组成，对于每个模块可依次分别编号为1，2，3，……，n的整数。
基于无线通信与传感器组网的智能定位和监控系统的监控方法，它包括下述步骤：一、传感器模块2采集被监控对象1的位置和工作状态信息，并将其转化为数据信息；二、传感器模块2将数据信息传递到ZigBee终端节点模块4，并通过ZigBee终端节点模块4、ZigBee路由节点模块5和ZigBee协调器节点模块7所组成的ZigBee无线通信网络把数据信息传递到ZigBee协调器节点模块7；三、本地监控中心服务器8把ZigBee协调器节点模块7接收到的数据信息进行分析，得到被监控对象1的状态，从而产生对被监控对象1的控制指令；四、控制指令传递到ZigBee协调器节点模块7，并通过ZigBee无线通信网络传递到ZigBee终端节点模块4；五、控制指令通过执行器模块3施加到被监控对象1上，实现对被监控对象1的定位和工作状态的调节和控制。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是它还包括：
异地监控中心9：油田网络信息系统中，除本地监控中心以外的其他有线通信网络均称异地监控中心，其通过油田现有的光纤网络，与本地监控中心服务器8联网，实现油田各生产信息的共享和交互。
本地监控中心服务器8通过已有的网络与异地监控中心9相连，必要时与上级油田信息系统监控中心进行信息交互，重大突发事件可启动上级应急预案数据库中的相应应急预案，形成油田信息点、线、面相结合的智能化立体监控体系的总体方法。
本发明将油田的采油厂、矿、站中的计量站、中转站、联合站、原油外输系统、油罐、天然气罐以及油田的其它设施的生产工况、工作状态等监测数据或信息，利用传感器技术和ZigBee技术构建无线传感器网络，并实时、安全、低成本地将监测和控制信息通过本地监控中心的油田信息监控管理系统软件接入油田企业现有的各级网络中，实现对油田企业各相关生产设备、生产数据、安全指标等信息的监测、定位、分析处理、显示、警示和控制。
在实际应用中，为实现油田各相关信息的共享，本发明将搭建的无线传感器网络与油田现有的信息网络相连，通过各监控中心C/S架构(Client/Server结构，即客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通信开销，系统内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。)、B/S架构(Browser/Server结构即浏览器和服务器结构。它是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现，形成三层3-tier结构。这样就简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本。)或以上二种架构相结合的系统监控软件，用逐级授权的方式安全实现油田信息的实时共享和交互。
以本地监控中心服务器8为组网参考点，由ZigBee协调器节点模块7通过串口或以太网接口与本地监控中心服务器8相连，通过监控系统软件(含数据库)对油田信息进行监测、定位和监控，遇突发事件时立即定位事件点并警示，对警示若无人工处置，则系统在一定时限内适时自动启动本地相应应急预案对事件进行处置。
具体实施方式三：本实施方式是在具体实施方式一的基础上，进一步限定多个ZigBee终端节点模块、多个ZigBee路由节点模块或ZigBee协调器节点模块组成星形网、树形网、网状网或上述三种网的结合。
具体实施方式四：本实施方式是在具体实施方式一的基础上，进一步明确了组成ZigBee无线通信网络的各ZigBee模块间的最远距离应小于40至45米。ZigBee模块无线通信的有效通信半径是100米左右，如此设置，在实际复杂的工业环境中，一旦相邻的一个ZigBee模块失效，则相隔此失效模块的两个ZigBee模块仍能通过自动搜寻而进行通信，并实现对移动节点的跟踪定位，从而实现网络的自愈、自恢复和自组网，确保了系统的稳定性和可靠性。
具体实施方式五：
本实施方式是在具体实施方式一和具体实施方式二的基础上，进一步明确了本地监控中心服务器8中运行的平台软件运用了组态技术、计算机自控技术、GIS技术、GPS技术、三维浏览技术和中间件技术，以当前主流的B/S和C/S相结合的混合架构实现，是集信息采集、监视、监测、定位、控制、指挥(调度)为一体的软件平台，能应用于能源、化工、矿业生产的工业智能监测与控制领域。