基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
    隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，核電裝備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。因此對核電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測就變得很重要。例如1979年3月美國發(fā)生的三里島核電站事故和1986年4月前蘇聯(lián)發(fā)生的切爾諾貝利核電站事故，再三地向人們詮釋了安全操作的重要性。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)要么是離線監(jiān)測，要么是基于有線的設(shè)計(jì)。然而有線存在很多不可避免的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：
    (1)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)困難，新增或者減少傳感器都很麻煩，消耗大量人力物力資源；
    (2)人難以接近的位置，如核電站的深層設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動部分、危險(xiǎn)區(qū)域及運(yùn)動的設(shè)備，無法對傳感器進(jìn)行有線連接；
    (3)有線一般公用電源，如果沒有良好的有線隔離，將導(dǎo)致一個傳感器故障引發(fā)整個系統(tǒng)的崩潰；
    (4)大量傳感器的安裝往往受到電纜重量和費(fèi)用的限制，大量布線增加了系統(tǒng)潛在危險(xiǎn)和不可控性。為了解決這些問題，迫切需要引入一種新型的、無需布線的網(wǎng)絡(luò)。一種可行的方案是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)應(yīng)用到核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
    WSN是無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究分支，是隨著MEMS、傳感技術(shù)、無線通訊和數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的信息獲取和處理模式。它是由隨機(jī)分布的傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)，WSN具有造價(jià)低、規(guī)模大、分布式模式、無需布線、節(jié)約成本、面向具體應(yīng)用、配置靈活、工作頻段無需申請和付費(fèi)、支持硬件加密等特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)在很多領(lǐng)域進(jìn)行了成功的應(yīng)用，比如軍事應(yīng)用；環(huán)境監(jiān)測，比較典型的例子是生物學(xué)家借助WSN對美國緬因州大鴨島上的一種海燕的生活習(xí)性進(jìn)行細(xì)微觀察；工業(yè)監(jiān)控，英特爾公司為美俄勒岡的一家芯片制造廠安裝200個無線傳感器節(jié)點(diǎn)，來監(jiān)控設(shè)備的振動情況。2003年，美國《技術(shù)評論》雜志論述未來新興十大技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)。我國于2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中兩個與WSN的研究直接相關(guān)，足見對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重視程度。

    核電站設(shè)備冗余多、系統(tǒng)復(fù)雜，其監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷技術(shù)與常規(guī)電廠有很大的不同，長期以來，對機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與診斷是采用傳統(tǒng)的閾值方法。針對以上特點(diǎn)，本文將WSN應(yīng)用到核電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中來，用無線網(wǎng)絡(luò)代替有線網(wǎng)絡(luò)，不失為一種可行的方案。本文設(shè)計(jì)了基于LM3S1138和CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了雙電源系統(tǒng)，并且在實(shí)時性很高的TEEN路由算法基礎(chǔ)上設(shè)置了信號采集周期。應(yīng)用該系統(tǒng)可以達(dá)到很好的數(shù)據(jù)采集效果。

2 WSN硬件設(shè)計(jì)
    由于核電站的特殊性，對于某些部位的取電很方便，因此采取雙節(jié)點(diǎn)的方法，即信號采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)Ⅲ。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如圖1所示，由傳感器、微處理單元、通信模塊、電源模塊組成。信號采集節(jié)點(diǎn)用普通高能干電池供電，而匯聚節(jié)點(diǎn)則采用干電池與220 V雙電源設(shè)計(jì)方案(如圖2所示)，220 V的電壓經(jīng)過低壓變壓器降壓至5 V左右，整流后輸入到Vin，經(jīng)過SPX1117穩(wěn)壓電路以后，就可以在Vout輸出3．3 V的穩(wěn)壓電。這樣的話，可以大大增強(qiáng)匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力，最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)的工作時間。同樣信號采集節(jié)點(diǎn)的干電池也可以采用這種穩(wěn)壓方式。

    微處理器采用美國Luminary Micro公司的LM3S1138，該芯片采用的是內(nèi)核設(shè)計(jì)公司ARM最新推出的先進(jìn)CortexTM-M3處理器。官方免費(fèi)提供了基于C語言(符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn))的驅(qū)動庫軟件包，并且源代碼是公開的，因此用戶完全可以摒棄晦澀難懂的匯編語言，電不需要掌握底層寄存器的操作細(xì)節(jié)，只要懂C語言就能輕松開發(fā)。它有3種工作模式：運(yùn)行模式(Run-Mode)、睡眠模式(Sleep-Mode)、深度睡眠模式(Deep-Sleep-Mode)，其極低的功耗保證了系統(tǒng)的長久運(yùn)行。它有32位ARM CortexTM-M3內(nèi)核(ARM v7M架構(gòu))；兼容Thumb的Thumb-2指令集，提高代碼密度25％以上；50 MHz運(yùn)行頻率，1．25DMIPS／MHz，加快35％以上；64 KB單周期FLASH，16 KB單周期SRAM。在外圍設(shè)備方面，它提供了3路全雙工UART，位速率高達(dá)3．125 Mb／s，16單元接收FIFO和發(fā)送FIFO；2路I2C，支持400 Kb／s快速模式；2路SSI(兼容SPI)，可以直接和CC2420射頻芯片實(shí)現(xiàn)連接。LM3S1138強(qiáng)大的功能，不到1美元的價(jià)格，完全能夠滿足大規(guī)模布置節(jié)點(diǎn)的要求。
    射頻芯片采用TI-Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420，CC22420是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，符合2．4 GHzIEEE802．15．4的一款射頻芯片。它基于Chipcon公司的smartRF03技術(shù)，以0．18 9m CMOS工藝制成，只需極少外部元器件(如圖3所示)，性能穩(wěn)定且超低電流消耗(RX：19．7 mA，TX：17．4 mA)。CC22420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求，抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39 dB)，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

    CC2420采用O-QPSK調(diào)制方式，圖4為O-QPSK信號產(chǎn)生電路，Tb／2的延遲電路是為了保證I，Q兩路碼元偏移半個碼元周期。BPF的作用是形成QPSK信號的頻譜形狀，保持包絡(luò)恒定。O-QPSK信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
    OQPSK信號可以采用正交相干解調(diào)方式解調(diào)，如圖5所示，Q支路在時間上偏移了Tb／2，所以抽樣判決時刻也應(yīng)偏移Tb／2，以保證對兩支路交錯抽樣。由此可以看出，O-QPSK克服了180°的相位跳變，信號通過BPF后包絡(luò)起伏小，性能得到了改善，由此受到了廣泛重視。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 Kb／s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

    CC2420與LM3S1138的連接十分簡單，通過連接4線(SI，SO，SCLK，CSn)的同步串行接口SSI就可以方便設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)、讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。對于傳感器的使用，微處理器內(nèi)嵌了溫度傳感器，擁有8通道10位ADC，采樣速率可達(dá)1 MSPS，ADC模塊含有一個可編程的序列發(fā)生器，它可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進(jìn)行采樣。每個采樣序列均對完全可配置的輸入源、觸發(fā)事件、中斷的產(chǎn)生和序列優(yōu)先級提供靈活的編程。如果單采集溫度信號，那么微處理器可以輕松地實(shí)現(xiàn)信號的采集，如需采集機(jī)械振動信息，那么只要接人相應(yīng)的加速度傳感器與電荷放大器就可以實(shí)現(xiàn)，為了試驗(yàn)方便，本課題先以溫度的測量來驗(yàn)證算法的效果。由于篇幅原因，僅簡單介紹ADC初始化：

    至于基站的設(shè)計(jì)，由于主流電腦大多都沒有串口或并口，都是用USB 2．0接口來實(shí)現(xiàn)通信。為此本系統(tǒng)采用FTDI公司的FT2232D與串行CMOS E2PROM芯片CAT93C46結(jié)合，如圖6所示，通過這種方式，只需要一根USB線，就可以實(shí)現(xiàn)對基站的供電、下載程序到基站、與基站實(shí)現(xiàn)雙邊通信。這樣就大大簡化了電路的設(shè)計(jì)。

3 WSN的網(wǎng)絡(luò)支持
    路由協(xié)議解決的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，是WSN的核心技術(shù)之一。WSN的路由協(xié)議與傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)不同，WSN要求網(wǎng)絡(luò)在使用有限的硬件資源和能量的前提下完成數(shù)據(jù)的采集功能，由于無線信道的不穩(wěn)定性，節(jié)點(diǎn)的移動和失效以及工廠環(huán)境等綜合因素的影響，WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生變化，而且變化的趨勢是隨機(jī)的，再加上網(wǎng)絡(luò)中存在大量的數(shù)據(jù)冗余，所以設(shè)計(jì)一款適合WSN的路由協(xié)議非常必要。針對核動力設(shè)備的特殊要求，采納一種實(shí)時性很高的路由算法TEEN。TEEN是一種分層結(jié)構(gòu)路由協(xié)議，該思想下網(wǎng)絡(luò)通常劃分為簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇內(nèi)成員的管理，并且完成簇內(nèi)信息的收集和融合操作，同時還負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。TEEN網(wǎng)絡(luò)簡化結(jié)構(gòu)(可以建立更多的分簇)如圖7所示，由于事先已經(jīng)確定了雙電源系統(tǒng)的個數(shù)以及位置，所以選擇靠近基站的雙電源系統(tǒng)作為路由的簇頭，簇頭確定好了以后，簇頭節(jié)點(diǎn)通過廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)自己成為簇頭的事實(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接受信號的強(qiáng)度決定從屬的簇，并通知相關(guān)的簇。簇頭通過TDMA方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)度，還向簇內(nèi)成員廣播有關(guān)數(shù)據(jù)的硬閾值(Hard Threshold，HT)和軟閾值(SoftThreshold，ST)兩個參數(shù)。硬閾值是開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹拖薅?，軟閾值則規(guī)定被檢測數(shù)據(jù)的變動范圍。在簇的穩(wěn)定階段，節(jié)點(diǎn)通過傳感器不斷地感知其周圍環(huán)境。當(dāng)節(jié)點(diǎn)首次檢測到數(shù)據(jù)到達(dá)硬閾值，便打開收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，同時將該檢測值存人節(jié)點(diǎn)保存為監(jiān)測值(Sensed Value，SV)。節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時要滿足兩個條件：當(dāng)前的檢測值大于硬閾值；當(dāng)前的檢測值與SV的差異等于或大于軟閾值。只要節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，變量SV便置為當(dāng)前的的檢測值。TEEN協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時性比較高；通過設(shè)置硬閾值和軟閾值兩個參數(shù)，TEEN能夠大大地減少數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)；由于軟閾值可以改變，監(jiān)控者通過設(shè)置不同的軟閾值可以方便地平衡監(jiān)測準(zhǔn)確性與系統(tǒng)節(jié)能性兩項(xiàng)指標(biāo)；隨著簇首的變化，用戶可以根據(jù)需要重新設(shè)定兩個參數(shù)的值，從而控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)。但是TEEN不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的采集，不適合數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，為此在TEEN的基礎(chǔ)上再向數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)廣播一個計(jì)數(shù)時間，這樣的話哪怕沒有達(dá)到所需要的一個閾值，只要計(jì)數(shù)時間一到，將無條件采集所需的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到在線監(jiān)測的目的。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    設(shè)置系統(tǒng)的硬閾值為10℃，軟閾值為0，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時間為0．1 s，系統(tǒng)采集一次數(shù)據(jù)的時間為0．01 s。由于溫度采集數(shù)據(jù)量龐大，不一一列舉，用Matlab把試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)用曲線的形式標(biāo)記出來，如圖8所示，采集到的數(shù)據(jù)在10℃以下呈點(diǎn)狀分布；而超過10℃時，呈曲線分布；25～42℃之間與現(xiàn)場電子溫度計(jì)測得的溫度基本一致，而10～25℃之間出現(xiàn)了小偏差，原因可能為外界系統(tǒng)的干擾。

5 結(jié) 語
    核電裝備監(jiān)測系統(tǒng)采用WSN，在滿足低功耗和系統(tǒng)可靠性的前提下，能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有效的采集。該系統(tǒng)成本低廉、布網(wǎng)方便，通過試驗(yàn)表明，此系統(tǒng)完全能夠滿足工業(yè)的需要。在機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)測、安全控制方面將會有很大的發(fā)展空間。在以后的研究中，重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)的融合與機(jī)械震動信號的采集，并對采集信號進(jìn)行特征提取，以便對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。