基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)海洋大氣腐蝕加速實驗平臺

李華峰，劉炎，徐凱，張濤，朱嘉明

1 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205

2 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

3 船舶與海洋工程水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng) (IoT)是數(shù)字創(chuàng)新專家Gates[1]提出的概念，物聯(lián)網(wǎng)描述了一個幾乎所有東西都能以智能方式連接和交流的世界，它能將物質(zhì)世界變成一個大的信息系統(tǒng)。如今，物聯(lián)網(wǎng)不僅在工業(yè)生產(chǎn)中提升了企業(yè)管理效率，也在可穿戴設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實設(shè)備、智能家居、智能出行、智能監(jiān)控、物流管理和公共服務(wù)等當(dāng)下最熱的應(yīng)用場景下開花結(jié)果。相較于陸地上物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用遍地開花的景象，海上石油鉆井平臺、各式船舶等海上設(shè)施卻未能及時應(yīng)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這主要是由于以下原因：1）海洋環(huán)境惡劣，陸上設(shè)備無法直接用于海洋環(huán)境；2）海洋環(huán)境不利于通信傳輸；3）船用條件復(fù)雜且工況惡劣，如船上金屬構(gòu)件及管路對信號的屏蔽效應(yīng)，濕熱、鹽霧、搖擺、振動工況等。

目前，海上設(shè)施監(jiān)控大多是基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）實現(xiàn)，但這些系統(tǒng)存在明顯的局限性，如布線困難、損壞的設(shè)備難以更換、系統(tǒng)成本昂貴、靈活性和伸縮性較差、外網(wǎng)隔離的有線通信方式的運維難度較大，并且數(shù)據(jù)傳輸有較長延遲[2-3]。而物聯(lián)網(wǎng)是SCADA的自然延伸和發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以大大降低企業(yè)的硬件和系統(tǒng)成本，且云服務(wù)無需進(jìn)行軟件許可和升級；由于所有數(shù)據(jù)都存儲在云端，若業(yè)務(wù)改變，所需要的部分硬件和軟件也可由云服務(wù)彈性增減，具有很大的靈活性和伸縮性[4]。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，可靈活采用有線、無線混合的方式，在降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的同時，也降低了維護(hù)成本。更重要的是，物聯(lián)網(wǎng)可從每個業(yè)務(wù)流程中收集和存儲數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測效率和結(jié)果，從而能夠最小化設(shè)備的突發(fā)故障，預(yù)測維護(hù)需求，并從現(xiàn)有資產(chǎn)中獲得更高的收益[5-6]。

與SCADA 系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)相比，物聯(lián)網(wǎng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)是以無線網(wǎng)絡(luò)為主構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[7]，其種類繁多，包括無線個人局域網(wǎng)（WPAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線鄰域網(wǎng)（WNAN）和無線廣域網(wǎng)（WWAN），他們各具特色，適用場景不同[8]。但隨著多個科技巨頭在搶占全球通信的先機(jī)上發(fā)力（如Facebook 打造的以無人機(jī)、衛(wèi)星和激光技術(shù)組合的全球通信項目[9]，以及我國航天科技集團(tuán)研制的鴻雁衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)[10]），未來海上通信將會是另一番景象。

此外，金屬建造而成的海上設(shè)施廣受腐蝕侵害。海洋腐蝕環(huán)境可分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)5 個腐蝕區(qū)帶。金屬腐蝕程度除受自身材質(zhì)特性影響外，也因氧氣濃度、光照強(qiáng)度、干濕交替程度、氯離子濃度、pH 值、溫濕度以及浪花沖擊等多種環(huán)境因素影響。腐蝕造成的海上設(shè)施結(jié)構(gòu)件的失效和破壞往往引起巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。發(fā)達(dá)國家因腐蝕造成的損失可占國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的2%～4%，其中，三分之一是由水環(huán)境造成的[11]；我國2014 年一年由海洋腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)7 000 億元。因此，腐蝕研究具有重要意義。但腐蝕是個日積月累的過程且發(fā)生在海上，這給研究人員帶來了不便，因此需要一種能對腐蝕信息進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的系統(tǒng)。

為探究基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于海上設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)測的可行性和有效性，本文將搭建模擬海洋大氣鹽霧腐蝕環(huán)境的腐蝕加速實驗平臺和模擬海洋環(huán)境下通信的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，對腐蝕發(fā)生情況和腐蝕信息進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)腐蝕加速實驗平臺作為物聯(lián)網(wǎng)的一個應(yīng)用，其由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。感知層用于對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)層通過一種或多種網(wǎng)絡(luò)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌吠ǖ?，?yīng)用層則是對數(shù)據(jù)處理后的展示以及對系統(tǒng)的信息管理。

腐蝕加速模擬系統(tǒng)選擇最為常用的鹽霧試驗法，用于模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境，作為物層或者現(xiàn)場層，其主要由鹽霧試驗箱、空壓機(jī)和一些輔助器件組成?；诖?，設(shè)計了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖1 所示，圖中WebApp 為基于萬維網(wǎng)的系統(tǒng)與應(yīng)用。

圖1 腐蝕加速實驗平臺總體架構(gòu)Fig. 1 Overall structure of accelerated experimental corrosion platform

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)、混合型結(jié)構(gòu)等。船上常用的結(jié)構(gòu)是環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠有效簡化路徑選擇，但環(huán)路封閉，不便擴(kuò)充，1 個節(jié)點故障會造成全網(wǎng)癱瘓。未來發(fā)展趨勢多為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或蜂窩狀結(jié)構(gòu)，各節(jié)點通過傳輸線互聯(lián)起來，每個節(jié)點至少與其他2 個節(jié)點相連，能有效解決環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的弊端，但也會帶來管理復(fù)雜、費用高的缺點。

在船舶或者海洋平臺中，因存在許多金屬水密隔艙，隔艙之間的無線網(wǎng)絡(luò)無法傳輸，故需要結(jié)合有線網(wǎng)與無線網(wǎng)來有效傳遞信息。在單個艙室之內(nèi)使用無線方式傳輸，在艙室之間使用有線方式傳輸。

首先，由感知層采集主要腐蝕發(fā)生環(huán)境參數(shù)和腐蝕參數(shù)。其中，前者包括溫度、濕度、大氣中氯離子濃度和pH 值，后者包括腐蝕速率、已腐蝕量和腐蝕余量[12]。因傳感器種類及數(shù)目較多，故選擇目前廣泛使用的RS-485/Modbus 遠(yuǎn)程終端單元（RTU）工業(yè)現(xiàn)場總線。然后，通過靈活多變的由以太網(wǎng)、ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、LoRa 無線低功耗廣域網(wǎng)和無線通信技術(shù)（WiFi）局域網(wǎng)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將感知數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層。最后，在應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，并經(jīng)過web 應(yīng)用程序進(jìn)行人機(jī)交互。為了體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程便利性，可以利用以太網(wǎng)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信號，通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

該基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的腐蝕加速實驗平臺具有如下特點：

1） 采用RS-485 現(xiàn)場總線將傳感器組織管理起來，使用以太網(wǎng)、ZigBee 網(wǎng)、LoRa 網(wǎng)以及WiFi構(gòu)成的無線/有線通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來代替海上設(shè)施傳統(tǒng)的有線連接方式。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過透傳方式實現(xiàn)Modbus RTU 的數(shù)據(jù)傳輸。

2） 采用web 應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布及人機(jī)交互，實現(xiàn)設(shè)備運行狀況的實時監(jiān)測，并允許多人多地通過有線或無線終端并發(fā)訪問。

2 感知層設(shè)計

感知層采集影響腐蝕效果的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)和反映腐蝕情況的主要參數(shù)，對其要求為：1）由于直接暴露在腐蝕環(huán)境下，會對電路產(chǎn)生一定的影響甚至損壞傳感器設(shè)備，因此要求傳感器有一定的防護(hù)措施，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)采集；2）所采集的數(shù)據(jù)能滿足一定的精度要求；3）有本地數(shù)據(jù)存儲功能，以防意外情況發(fā)生導(dǎo)致上層設(shè)施毀壞后，可提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)的備份以備查閱；4）滿足一定的經(jīng)濟(jì)性要求。

基于以上需求選擇了傳感器：由TH10S-B-PE溫濕度傳感器采集環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，MIK-PH2.0 pH 計 和SJG-3 083 型 氯 化 鈉 濃 度 計 采 集 溶 液的pH 值和氯離子濃度，CST480AS 腐蝕儀采集腐蝕信息，他們均采用RS-485 接口并支持Modbus RTU協(xié)議。傳感器在鹽霧試驗箱中的布局設(shè)計如圖2所示。由于感知層采集的腐蝕發(fā)生環(huán)境參數(shù)是鹽霧的相應(yīng)參數(shù)，而鹽霧是由一定pH 值、氯離子濃度的鹽溶液撞擊鹽霧箱擋板破碎為細(xì)微的小液滴形成的，因此可直接由測量的鹽溶液的pH 值和氯化鈉濃度代替腐蝕發(fā)生環(huán)境的pH 值和氯離子濃度數(shù)據(jù)。溫度、濕度和腐蝕參數(shù)則通過置于被測試樣附近的傳感器測得，以保證與試樣環(huán)境以及腐蝕情況盡可能一致。

圖2 傳感器布局圖Fig. 2 Layout of sensors

如圖1 所示，本平臺中監(jiān)測的溫度、濕度、pH 值與氯離子濃度，能夠反映環(huán)境中的腐蝕速率、腐蝕余量、已腐蝕量。即3 個腐蝕狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)是4 個環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的因變量。因此針對不同的適用場景或監(jiān)測對象，只需改變相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，就能得到對應(yīng)的腐蝕狀態(tài)，有一定的普適性。腐蝕加速設(shè)備是為了加快腐蝕進(jìn)度，縮短實驗時間，盡快觀察得到實驗現(xiàn)象而設(shè)立。

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層作為數(shù)據(jù)鏈路通道，應(yīng)具有較高的傳輸速率和穩(wěn)定性。為實現(xiàn)對海上環(huán)境通信網(wǎng)絡(luò)的模擬，網(wǎng)絡(luò)的組建要充分考慮海上環(huán)境的特點，主要有以下幾方面：

1） 在滿足通信要求的情況下功耗應(yīng)盡可能低，比如在使用電池供電的條件下，通信設(shè)備的使用時長應(yīng)達(dá)到數(shù)年甚至數(shù)十年；

2） 船舶或者海上設(shè)施一般遠(yuǎn)離陸地，且監(jiān)測現(xiàn)場一般不便于布線，陸地上常規(guī)的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)在此環(huán)境下難以很好地完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，應(yīng)盡量選擇無線通信方式；

3） 有些海上設(shè)施局部監(jiān)測點和監(jiān)測參數(shù)眾多，具有眾多的艙室隔斷和金屬管路，且監(jiān)測點之間的障礙物較多，使用一般的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)會使數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生時延甚至信號中斷，這種情況下分布式的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較為合適，如對海上石油鉆井平臺的監(jiān)測；

4） 有些監(jiān)測點在空間上分布較分散，需要部署長距離、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)，如對海上風(fēng)電場的監(jiān)測；

5） 在無法實現(xiàn)無線信號傳輸?shù)慕饘倥撌抑?，可以采用以太網(wǎng)穿艙設(shè)計，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)布局。

ZigBee，ISA100.11a 和WirelessHART 這3 種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，均可提供可擴(kuò)展、自組織的短程無線網(wǎng)絡(luò)，并具有多跳尋址功能，這種傳輸過程具有在遇到障礙物時會依據(jù)一定的算法通過其他節(jié)點繞過障礙物，從而到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的特性，令其在滿是金屬構(gòu)件或障礙物較多的場所具有一定優(yōu)勢。相比于ZigBee，用于過程自動化的無線網(wǎng)絡(luò)WirelessHART 和ISA100.11a 具有更好的抗干擾性、更高的安全性和更低的功耗[13]。WiFi是當(dāng)前廣泛使用的WLAN 網(wǎng)絡(luò)，其成本低廉、組網(wǎng)簡單。LoRa，NB-IoT 和衛(wèi)星通信是WWAN 網(wǎng)絡(luò)的代表，前兩者均可進(jìn)行低功耗、遠(yuǎn)距離的通信，它們甚至是物聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)距離無線通信的兩大競爭者，但在海上通信方面，NB-IoT 因傳輸數(shù)據(jù)量少、衛(wèi)星通信時延高而處于劣勢。

在基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)腐蝕加速實驗平臺系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，受成本限制，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)除了以太網(wǎng)部分之外，選擇ZigBee 作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、LoRa 作為無線低功耗廣域網(wǎng)，并采用WiFi 組建局域網(wǎng)，將ZigBee 網(wǎng)關(guān)和LoRa 網(wǎng)關(guān)接入此局域網(wǎng)，以便將網(wǎng)關(guān)處的感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆摼钟蚓W(wǎng)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)層通信架構(gòu)如圖3所示。船舶用電設(shè)備很多，為了減少布線以及可能由電線帶來的安全隱患，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)當(dāng)使用無線網(wǎng)絡(luò)?？紤]到船上到處都是金屬物，且空間布局較為緊湊，易對信號造成干擾，因此緊鄰現(xiàn)場的通信設(shè)備需具有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度以及多跳尋址功能。同時由于現(xiàn)在的船舶噸位較大，部分終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的距離較大，此時應(yīng)使用低功耗且傳輸距離較遠(yuǎn)的無線傳輸方式。ZigBee 是一種短距離內(nèi)的網(wǎng)狀傳輸網(wǎng)絡(luò)，其在船艙內(nèi)大量分布時，能在自身作為感知層接受傳感器信息的基礎(chǔ)上，作為信息傳輸介質(zhì)，有效解決機(jī)艙環(huán)境下有線網(wǎng)絡(luò)排布困難或者無線信號屏蔽的問題。LoRa 作為無線低功耗廣域網(wǎng)，在近岸時可作為陸地監(jiān)控傳輸?shù)慕鉀Q方案。在工業(yè)應(yīng)用中，作業(yè)環(huán)境和要求往往更加嚴(yán)苛，通常使用ISA100.11a 或WirelessHART網(wǎng)絡(luò)來代替以上方案。Modbus 是一種串行通信協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto），是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。Modbus RTU 是一種緊湊的、采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)的串行通信方式。RTU 格式后續(xù)的命令/數(shù)據(jù)帶有循環(huán)冗余校驗的校驗和，而ASCII 格式采用縱向冗余校驗的校驗和。被配置為RTU 的節(jié)點不會和設(shè)置為ASCII變種的節(jié)點通信，反之亦然。由于Modbus 協(xié)議采用主從方式進(jìn)行通信，因此每個傳感器都將Modbus 地址作為標(biāo)識。ZigBee 和LoRa 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點也以不同的節(jié)點地址作為標(biāo)識。傳感器采集到的數(shù)據(jù)以RS-485/Modbus RTU 的方式傳遞到ZigBee 終端或者LoRa 終端，ZigBee 終端接收數(shù)據(jù)后通過多跳尋址直接或者間接地將其傳遞給ZigBee 網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)絡(luò)不可多跳尋址只能將接收到的數(shù)據(jù)直接從終端傳遞給LoRa 網(wǎng)關(guān)，最后通過WiFi 路由器將ZigBee 網(wǎng)關(guān)和LoRa 網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。由于應(yīng)用程序在WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器上運行，同處于該局域網(wǎng)中的用戶設(shè)備可通過輸入服務(wù)器的LAN IP 地址訪問應(yīng)用程序，而處于WiFi局域網(wǎng)外的設(shè)備可以通過外部的云端服務(wù)器，讀取相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。各網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計和WiFi路由器的端口映射參數(shù)配置如表1 所示。

表1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息Table 1 Heterogeneous network information

圖3 傳輸層通信架構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of transport layer communication architecture

4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層主要以web 應(yīng)用程序的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示和信息化管理。應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)如圖4 虛線框所示（圖中DIO 為數(shù)字輸入/輸出，AIO為模擬輸入/輸出，ODBC 為開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)），主程序模塊連接到各功能子程序，引入數(shù)據(jù)庫可以讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，同時連接通信模塊，能夠?qū)崟r顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)流如圖5 所示。來自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)通過IP 地址定位到位于WiFi 局域網(wǎng)中的服務(wù)器，并通過端口號和服務(wù)器上虛擬出來的串行通信端口(COM 口）以及OPC Server 存儲到SQL Server 數(shù)據(jù)庫中。在軟件集成開發(fā)環(huán)境中將Springboot 和Mybatis 整合，二者集成能減少不必要的參數(shù)配置工作，節(jié)省開發(fā)時間，同時引入Mybatis 對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行操 作。接 著 創(chuàng) 建Controller，Service 和Mapper 三層服務(wù)，編寫HTML 文件并將Ajax 和Echarts 整合其中，實現(xiàn)對網(wǎng)頁的動態(tài)刷新和曲線圖的二次開發(fā)。當(dāng)確認(rèn)所開發(fā)和調(diào)試的源文件無誤后，將其壓縮成war 包并部署在Tomcat web 服務(wù)器上作為web 應(yīng)用程序進(jìn)行發(fā)布，當(dāng)web 應(yīng)用程序運行時，通過SQL Server Driver 驅(qū)動連接到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)通過瀏覽器以網(wǎng)頁方式進(jìn)行可視化展示。

圖4 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)Fig. 4 Application architecture

圖5 應(yīng)用層數(shù)據(jù)流圖Fig. 5 Diagram of application layer data flow

web 網(wǎng)頁的各部分設(shè)計如圖6 所示，腐蝕信息概覽部分給出了實驗平臺的信息，包括實驗平臺所處位置及建設(shè)目的等，此外也以曲線圖的形式展示了腐蝕發(fā)生環(huán)境數(shù)據(jù)和腐蝕數(shù)據(jù)。實驗系統(tǒng)架構(gòu)部分介紹了實驗平臺的系統(tǒng)組成，并對一些重要信息提供了可下載的PDF 文件以供詳細(xì)了解。數(shù)據(jù)表格部分則是以表格形式展示傳感器采集到的歷史數(shù)據(jù)，豐富了對數(shù)據(jù)的展示形式。由于時間限制，未能完成報警信息和報告2 部分內(nèi)容，這是后續(xù)的開發(fā)工作。

圖6 web 網(wǎng)頁各部分設(shè)計圖Fig. 6 Diagram of design for each part of the web pages

5 實驗設(shè)計及結(jié)果分析

為了驗證腐蝕加速模擬系統(tǒng)的加速腐蝕效果和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，使用船舶常用的Q235 鋼作為實驗試樣置于腐蝕加速模擬系統(tǒng)中，模擬船舶在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕現(xiàn)象，并將同處于腐蝕模擬系統(tǒng)中的Q235 腐蝕探針感知到的腐蝕數(shù)據(jù)視為試樣腐蝕數(shù)據(jù)和船舶鋼板腐蝕數(shù)據(jù)。此外，考慮到船舶生產(chǎn)活動現(xiàn)場的復(fù)雜性和危險性，同時也為了便于日常管理和維護(hù)以及減少安全隱患，宜將各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備置于電氣柜中。鹽霧腐蝕實驗箱和各電氣柜如圖7 所示。

圖7 鹽霧腐蝕實驗箱和電氣柜Fig. 7 Spray corrosion test chamber and electrical cabinets

實驗前、后的Q235 腐蝕探針和Q235 試樣變化如圖8 所示。由圖可見，Q235 鋼經(jīng)過鹽霧實驗[14]，表面已銹跡斑斑，腐蝕嚴(yán)重。從ZigBee 終端接入的腐蝕儀數(shù)據(jù)信號和從LoRa 終端接入的pH 計數(shù)據(jù)信號經(jīng)過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸，會出現(xiàn)極短時間的通信質(zhì)量差（通信數(shù)值為0 表示通信中斷，通信數(shù)值為32 代表通信質(zhì)量差，通信數(shù)值為192代表通信質(zhì)量良好）和通信中斷，其他時刻的通信質(zhì)量都為優(yōu)，這說明由以太網(wǎng)，ZigBee，LoRa 和WiFi 構(gòu)成的模擬海上設(shè)施通信場景的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有可行性和有效性。Q235 鋼在加速腐蝕系統(tǒng)中的平均腐蝕速率達(dá)到了515 μm/年左右，與汪川等[15]在我國海南萬寧實驗站海洋大氣環(huán)境下測得的Q235 鋼509.48 μm/年的腐蝕速率相近。

圖8 實驗前、后的Q235 腐蝕探針和Q235 試樣Fig. 8 Q235 corrosion probe and Q235 sample before and after the experiment

6 結(jié) 論

本文采用由以太網(wǎng)、ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、LoRa 遠(yuǎn)距離低功耗無線廣域網(wǎng)和WiFi 局域網(wǎng)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了模擬加速腐蝕實驗平臺，并開發(fā)了基于web 應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。由腐蝕加速模擬系統(tǒng)作為現(xiàn)場層來模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境，通過感知層的多種傳感器采集主要的腐蝕環(huán)境和信息參數(shù)，感知數(shù)據(jù)經(jīng)由異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綉?yīng)用層，最終以WebApp 的形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化呈現(xiàn)。鹽霧實驗結(jié)果證明了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院陀行?，展示了腐蝕加速模擬系統(tǒng)的腐蝕效果以及基于web 網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)可視化效果。

此外，實現(xiàn)本平臺的方案和技術(shù)都來自于當(dāng)下應(yīng)用廣泛并在一定程度上代表未來趨勢的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化設(shè)備、儀器以及軟件解決方案，具有較高的可移植性。受時間限制，WebApp 的報警信息和報告部分暫未開發(fā)，會在后期的工作中完善。