基于传感器网络的工业能耗实时监测与安全预警系统

二、需求分析

2.1 功能要求

从单个传感器节点的功能上看，将实现单个生产设备和配电盒的能耗测量、温度测量，某些节点可进一步引入开关器件，在特殊情况下，主动关掉电路，能量供给方面，开发板使用220V/380V电压供电，引入的霍尔传感器采用电池供电。

从网络系统整体功能来看，将实现整个工厂内功率与温度信息的实时监测，使得相关信息可视化，并且提供了及时报警的机制；通过分析历史数据，能够预测工厂内部的温度变化趋势，提供预警功能，管理者可在预测的温度异常区间采取相关措施；同时在时间及空间两个维度了解工厂内部的能耗情况，采用可视化软件使其很好的显示在管理者面前，为管理者加强企业的节能降耗工作提供了良好的辅助。

2.2 性能要求

管理者最终看到的能耗和温度信息有一定的延时，该延迟的时间为从传感器节点检测到相应信息，发送给汇聚节点，进而交由管理节点显示所消耗的时间，同样，预警功能也有一定的延迟，因为预警信息需要从传感器节点发送给汇聚节点。但是，信息显示的延迟对于整个数据的监测不会带来太多负面影响，而报警的延迟只要控制在允许的范围内，同样可以接受。

在传感器节点传递数据包给汇聚节点时，存在遗失数据包的问题，可以引入ACK机制，即汇聚节点在成功接受到数据包时，发送ACK帧给传感器节点，从而可保障数据的可靠传输；同时，可以给带有报警信息的数据包引入优先机制，使其优先被汇聚节点处理。以上改进方案可以改善丢失数据包的问题。

三、方案设计

3.1 系统结构框图与模块功能分析

3.1.1传感器节点的结构框图与各模块功能分析

传感器节点的系统结构框图如下：

图二

传感器节点由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、显示模块、通信模块五个部分组成。其中能量供应模块为其他各个模块供应能量；传感器模块选用霍尔传感器来测量生产设备的电压、电流，选用工业界常用的镍铬镍硅热电偶测量生产设备的温度，并将信息传递给处理器模块；处理器模块由电压电流信息计算设备的功率，再将功率、温度信息传递给显示模块，在LCD屏幕上显示，同时将温度信息与预先设定的安全阈值进行比较，如果发现温度异常，则将报警信息加入到功率温度信息中，并一起发送给通信模块，通信模块在将数据打包成数据包后，直接发送给附近的汇聚节点，交给汇聚节点进行统一分析。

3.1.2汇聚节点的结构框图与各模块功能分析

汇聚节点的系统结构框图如下：

图三

汇聚节点由能量供应模块、处理器模块、通信模块、报警模块组成。能量供应模块为其他各个模块供应能量；通信模块随时侦听空间中是否有来自传感器节点的信息，并将收到的信息发送给处理器模块，同时也将处理模块处理后的信息发送给管理节点；处理器模块负责该区域内所有信息的综合与处理，并将处理后的信息交给通信模块，如果有异常信息，则将相应信息传递给报警模块；报警模块在收到报警信息后，会发出警报声，提示是哪一台机器有温度超标的情况。