工业计量点无线监测系统

0 引言
    随着我国经济的快速增长，对能源的需求持续快速增加，我国已经成为当今世界第二大能源消费国，但是，我国人均能源资源占有量远低于世界平均水平，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，面临着能源安全和环境保护的双重压力，节约能源和资源的战略地位极其突出。加强能源管理，提高能源利用效率，是缓解当前经济社会发展面临的能源约束矛盾、建设节约型社会、实现经济社会可持续发展的根本保障。
    工业企业是我国的能源消费大户，能源消耗量占全社会能源消耗总量的70％。企业的高耗能问题已经变成制约工业经济发展的瓶颈，工业企业节能降耗成为工业经济可持续发展的基本障碍。“十二五”期间，国家进一步开展能源消费总量控制，其中工业节能目标确定为21％。要实现这一目标，每个企业都要把节能降耗作为一个重点工作来抓，而加强能源计量管理是企业节能降耗的基础和保障。
    能源计量是指在能源流程中，对各环节的数量、质量、性能参数和相关特征参数等进行检测、度量和计算，以达到提高能源利用效率、节约能源的目的。工业企业管理要紧紧抓住“高耗能”这一特点，强化内部管理，完善能源计量管理体系，推广新的计量管理技术，采用网络化、信息化的现代手段来完成节能减耗和技术改进。

1 建立工业计量体系所存在的技术难点
    工业现场能源计量监测点(水、电、风、气等)的分布通常比较分散，在生产厂区内外即有架空又有地下，有些则属于新增加的监测点位，没有预留信号传输电缆。如果使用有线方式，需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络，其设备建设和维护成本很高。对于某些环境苛刻的场合，还会限制布线和供电，往往难于监测数据，并且还会给日后的维护带来不便，如遇检修或其它原因损坏电缆，恢复起来极为困难。
    GPRS无线传输技术可被广泛应用于环境、设备监测等场合，而且实施简单、通讯可靠，但使用费高不经济，通常一个通讯点每年的费用为上千元，计量点愈多费用愈高，不宜用于大规模数据采集。
    以上几种因素都在不同程度上制约了能源计量管理体系的建立，因此，要想建立一个既能快捷实施，又通讯可靠、费用经济合理的完整能源计量管理体系，就必须寻求一种新的技术。

2 无线传感器网络技术在工业计量领域中的应用
    无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)技术是目前世界上新的低功耗、自组织、短距离无线传输技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式数据处理技术和通信技术，可实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，这些数据可通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。
    无线传感器网络被认为是继因特网之后，可对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。1999年和2003年，美国《商业周刊》和《MIT技术评论》在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。无线传感器网络最初是由美国军方提出，在战场监控等军事领域有着重要的应用价值。在民用领域中，无线传感器网络技术同样有着广泛的应用前景，特别是在生态环境监测、先进制造、医疗健康、紧急事件响应、建筑物安全监控、精细农业等领域。国内WSN技术的发展较晚，但是通过数年的努力，该技术已经走出院校，走出实验室。在很多领域，WSN技术都已凸显出其先进性，并在环境监测、楼宇智能化、智能城市等应用中得到普遍认可。
    基于无线传感器网络技术的现场数据采集方法具有低成本，高可扩展性、高可靠性等特点。将无线传感器网络技术应用于工业计量场合，能够有效解决传统监测系统安装、维护成本高，供电、布线受限等问题，比较适用于多节点、大范围、环境苛刻等工业场合的监测任务。[page]

3 计量点无线监测系统组成
    工业计量点无线监测系统一般由无线传感器网络节点、无线传感器网络中继和网关组成。传感器节点在其无线通讯范围内，开机后即可自动识别并加入到无线传输网络中，并定时将多种工业变送器标准信号，包括电阻信号、电流信号、电压信号(涉及到压力、流量、温度的测量)，通过无线、自组织、多跳的方式进行发送，最终汇聚到网关。如果传感器节点距网关比较远，传感器节点会自动将采集到的数据通过中继节点转发至网关，网关汇集传感器节点的数据后，再通过3G、GPRS、Wi—Fi、Ethernet、串口等将数据传到后台。图1所示是计量点无线监测系统示意图。

4 结语
    工业计量点无线监测系统全部采用无线方式进行数据传输，可以自动形成监测网络对监测数据进行采集和传输，从而保证了监测数据的可靠性和实时性，并节省了大量的人力、物力。该系统的主要有特点如下：
    (1)安装组织灵活：无线智能传感器和无线中继可在有效无线通信距离内任意分布，通过自组织形成网络进行数据传输，安装极为方便；
    (2)个别无线中继的损坏不影响整体功能，其变动、失效信息自动向无线网关汇总，维护方便；
    (3)组网成本低：只需利用无线智能传感器、无线中继和无线网关，便可构建数据传输网络；
    (4)设备稳定可靠：无线智能传感器完全密封，可以应用在恶劣的环境中；
    (5)设备本身节能环保：无线智能传感器采用低功耗技术，在由电池供电的情况下，可持续工作1～5年(视监测任务的不同)，并可实现监测过程中的免维护；
    (6)数据传输安全可靠：节点采用跳频技术，可在复杂电磁环境中可靠工作，抗干扰能力强。