基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核電裝備狀態(tài)監測

0 引 言

隨著(zhù)現代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，核電裝備的結構越來(lái)越復雜，功能越來(lái)越完善，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。因此對核電設備運行狀態(tài)進(jìn)行監測就變得很重要。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。傳統的監測系統要么是離線(xiàn)監測，要么是基于有線(xiàn)的設計。然而有線(xiàn)存在很多不可避免的缺點(diǎn)，主要體現在：

(1)網(wǎng)絡(luò )維護困難，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，如核電站的深層設備、旋轉機械轉動(dòng)部分、危險區域及運動(dòng)的設備，無(wú)法對傳感器進(jìn)行有線(xiàn)連接；

(3)有線(xiàn)一般公用電源，如果沒(méi)有良好的有線(xiàn)隔離，將導致一個(gè)傳感器故障引發(fā)整個(gè)系統的崩潰；

(4)大量傳感器的安裝往往受到電纜重量和費用的限制，大量布線(xiàn)增加了系統潛在危險和不可控性。為了解決這些問(wèn)題，迫切需要引入一種新型的、無(wú)需布線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )。一種可行的方案是將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)應用到核電裝備狀態(tài)監測系統。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

WSN是無(wú)線(xiàn)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)重要研究分支，是隨著(zhù)MEMS、傳感技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊和數字電子技術(shù)的迅速發(fā)展而出現的一種新的信息獲取和處理模式。它是由隨機分布的傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構成的網(wǎng)絡(luò )(如圖1所示)，WSN具有造價(jià)低、規模大、分布式模式、無(wú)需布線(xiàn)、節約成本、面向具體應用、配置靈活、工作頻段無(wú)需申請和付費、支持硬件加密等特點(diǎn)，現在已經(jīng)在很多領(lǐng)域進(jìn)行了成功的應用，比如軍事應用；環(huán)境監測，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性進(jìn)行細微觀(guān)察；工業(yè)監控，英特爾公司為美俄勒岡的一家芯片制造廠(chǎng)安裝200個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，來(lái)監控設備的振動(dòng)情況。2003年，美國《技術(shù)評論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )被列為第一項未來(lái)新興技術(shù)。我國于2006年初發(fā)布的《國家中長(cháng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與WSN的研究直接相關(guān)，足見(jiàn)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的重視程度。

核電站設備冗余多、系統復雜，其監測數據和診斷技術(shù)與常規電廠(chǎng)有很大的不同，長(cháng)期以來(lái)，對機械運行狀態(tài)的監測與診斷是采用傳統的閾值方法。針對以上特點(diǎn)，本文將WSN應用到核電設備狀態(tài)監測系統中來(lái)，用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )代替有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，不失為一種可行的方案。本文設計了基于LM3S1138和CC2420的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，設計了雙電源系統，并且在實(shí)時(shí)性很高的TEEN路由算法基礎上設置了信號采集周期。應用該系統可以達到很好的數據采集效果。

2 WSN硬件設計

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

微處理器采用美國Luminary Micro公司的LM3S1138，該芯片采用的是內核設計公司ARM最新推出的先進(jìn)CortexTM-M3處理器。官方免費提供了基于C語(yǔ)言(符合ANSI C標準)的驅動(dòng)庫軟件包，并且源代碼是公開(kāi)的，因此用戶(hù)完全可以摒棄晦澀難懂的匯編語(yǔ)言，電不需要掌握底層寄存器的操作細節，只要懂C語(yǔ)言就能輕松開(kāi)發(fā)。它有3種工作模式：運行模式(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的長(cháng)久運行。它有32位ARM CortexTM-M3內核(ARM v7M架構)；兼容Thumb的Thumb-2指令集，提高代碼密度25％以上；50 MHz運行頻率，1．25DMIPS／MHz，加快35％以上；64 KB單周期FLASH，16 KB單周期SRAM。在外圍設備方面，它提供了3路全雙工UART，位速率高達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)現連接。LM3S1138強大的功能，不到1美元的價(jià)格，完全能夠滿(mǎn)足大規模布置節點(diǎn)的要求。

射頻芯片采用TI-Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420，CC22420是為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的，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超過(guò)了IEEE802．15．4標準的要求，抗鄰頻道干擾能力強(39 dB)，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

CC2420采用O-QPSK調制方式，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(gè)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信號的數學(xué)表達式為：

OQPSK信號可以采用正交相干解調方式解調，如圖5所示，Q支路在時(shí)間上偏移了Tb／2，所以抽樣判決時(shí)刻也應偏移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(guò)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(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達250 Kb／s，可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

CC2420與LM3S1138的連接十分簡(jiǎn)單，通過(guò)連接4線(xiàn)(SI，SO，SCLK，CSn)的同步串行接口SSI就可以方便設置芯片的工作模式，并實(shí)現讀／寫(xiě)緩存數據、讀／寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器。對于傳感器的使用，微處理器內嵌了溫度傳感器，擁有8通道10位ADC，采樣速率可達1 MSPS，ADC模塊含有一個(gè)可編程的序列發(fā)生器，它可在無(wú)需控制器干涉的情況下對多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣。每個(gè)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)現信號的采集，如需采集機械振動(dòng)信息，那么只要接人相應的加速度傳感器與電荷放大器就可以實(shí)現，為了試驗方便，本課題先以溫度的測量來(lái)驗證算法的效果。由于篇幅原因，僅簡(jiǎn)單介紹ADC初始化：

至于基站的設計，由于主流電腦大多都沒(méi)有串口或并口，都是用USB 2．0接口來(lái)實(shí)現通信。為此本系統采用FTDI公司的FT2232D與串行CMOS E2PROM芯片CAT93C46結合，如圖6所示，通過(guò)這種方式，只需要一根USB線(xiàn)，就可以實(shí)現對基站的供電、下載程序到基站、與基站實(shí)現雙邊通信。這樣就大大簡(jiǎn)化了電路的設計。

3 WSN的網(wǎng)絡(luò )支持

路由協(xié)議解決的是數據傳輸的問(wèn)題，是WSN的核心技術(shù)之一。WSN的路由協(xié)議與傳統的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據的采集功能，由于無(wú)線(xiàn)信道的不穩定性，節點(diǎn)的移動(dòng)和失效以及工廠(chǎng)環(huán)境等綜合因素的影響，WSN的拓撲結構隨時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的趨勢是隨機的，再加上網(wǎng)絡(luò )中存在大量的數據冗余，所以設計一款適合WSN的路由協(xié)議非常必要。針對核動(dòng)力設備的特殊要求，采納一種實(shí)時(shí)性很高的路由算法TEEN。TEEN是一種分層結構路由協(xié)議，該思想下網(wǎng)絡(luò )通常劃分為簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。簇頭節點(diǎn)負責簇內成員的管理，并且完成簇內信息的收集和融合操作，同時(shí)還負責簇間數據的轉發(fā)。TEEN網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)化結構(可以建立更多的分簇)如圖7所示，由于事先已經(jīng)確定了雙電源系統的個(gè)數以及位置，所以選擇靠近基站的雙電源系統作為路由的簇頭，簇頭確定好了以后，簇頭節點(diǎn)通過(guò)廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò )自己成為簇頭的事實(shí)，網(wǎng)絡(luò )中的非簇頭節點(diǎn)根據接受信號的強度決定從屬的簇，并通知相關(guān)的簇。簇頭通過(guò)TDMA方法實(shí)現數據的調度，還向簇內成員廣播有關(guān)數據的硬閾值(Hard Threshold，HT)和軟閾值(SoftThreshold，ST)兩個(gè)參數。硬閾值是開(kāi)始進(jìn)行數據傳輸的最低限度，軟閾值則規定被檢測數據的變動(dòng)范圍。在簇的穩定階段，節點(diǎn)通過(guò)傳感器不斷地感知其周?chē)h(huán)境。當節點(diǎn)首次檢測到數據到達硬閾值，便打開(kāi)收發(fā)器進(jìn)行數據傳送，同時(shí)將該檢測值存人節點(diǎn)保存為監測值(Sensed Value，SV)。節點(diǎn)再次進(jìn)行數據傳送時(shí)要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：當前的檢測值大于硬閾值；當前的檢測值與SV的差異等于或大于軟閾值。只要節點(diǎn)發(fā)送數據，變量SV便置為當前的的檢測值。TEEN協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性比較高；通過(guò)設置硬閾值和軟閾值兩個(gè)參數，TEEN能夠大大地減少數據傳送的次數；由于軟閾值可以改變，監控者通過(guò)設置不同的軟閾值可以方便地平衡監測準確性與系統節能性?xún)身椫笜?；隨著(zhù)簇首的變化，用戶(hù)可以根據需要重新設定兩個(gè)參數的值，從而控制數據傳輸的次數。但是TEEN不能對數據進(jìn)行連續的采集，不適合數據在線(xiàn)監測，為此在TEEN的基礎上再向數據采集節點(diǎn)廣播一個(gè)計數時(shí)間，這樣的話(huà)哪怕沒(méi)有達到所需要的一個(gè)閾值，只要計數時(shí)間一到，將無(wú)條件采集所需的數據，從而達到在線(xiàn)監測的目的。

4 試驗結果

設置系統的硬閾值為10℃，軟閾值為0，計數器計數時(shí)間為0．1 s，系統采集一次數據的時(shí)間為0．01 s。由于溫度采集數據量龐大，不一一列舉，用Matlab把試驗所采集的數據用曲線(xiàn)的形式標記出來(lái)，如圖8所示，采集到的數據在10℃以下呈點(diǎn)狀分布；而超過(guò)10℃時(shí)，呈曲線(xiàn)分布；25～42℃之間與現場(chǎng)電子溫度計測得的溫度基本一致，而10～25℃之間出現了小偏差，原因可能為外界系統的干擾。

5 結 語(yǔ)

核電裝備監測系統采用WSN，在滿(mǎn)足低功耗和系統可靠性的前提下，能夠對溫度數據實(shí)現有效的采集。該系統成本低廉、布網(wǎng)方便，通過(guò)試驗表明，此系統完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)的需要。在機電系統監測、安全控制方面將會(huì )有很大的發(fā)展空間。在以后的研究中，重點(diǎn)研究數據的融合與機械震動(dòng)信號的采集，并對采集信號進(jìn)行特征提取，以便對有效數據進(jìn)行處理。