羅彬彬,張春良,張浩強

摘 要:針對核電站運行環(huán)境復雜,人員難以靠近等特點,提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),采用LM3S1138和CC2420作為無線傳感器網(wǎng)絡的主要硬件。核電設備監(jiān)測系統(tǒng)對實時性要求特別高,為此采用分層路由協(xié)議TEEN,并為每個節(jié)點設置一個計數(shù)器。通過Matlab虛擬仿真平臺和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集表明,此系統(tǒng)能夠?qū)π盘枌崿F(xiàn)有效的采集。

關鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡;LM3S1138;CC2420;路由協(xié)議

中圖分類號:TN915文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-151-04

Design of Nuclear Power Equipment Condition Monitoring System

Based on Wireless Sensor Network

LUO Binbin,ZHANG Chunliang,ZHANG Haoqiang

(School of Mechanical Engineering,University of South China,Hengyang,421001,China)

Abstract:Since the complex operating environment of nuclear power equipment,a wireless sensor network is applied to design a new type of nuclear power equipment.The system uses LM3S1138 and CC2420 as wireless sensor network′s hardware.Nuclear power equipment condition monitoring system for real-time requirement is particularly high,so Threshold sensitive Energy Effieient sensor Network (TEEN) protocol is adopted.And a counter is set up for each node.Through Matlab simulation platform and data collection show that the system can achieve efficient signal acquisition.

Keywords:wireless sensor network;LM3S1138;CC2420;routing protocol

0 引 言

隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步,核電裝備的結(jié)構越來越復雜,功能越來越完善,自動化程度也越來越高。因此對核電設備運行狀態(tài)進行監(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[1]。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計。然而有線存在很多不可避免的缺點,主要體現(xiàn)在:

(1) 網(wǎng)絡維護困難,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(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)動部分、危險區(qū)域及運動的設備,無法對傳感器進行有線連接;

(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用的限制,大量布線增加了系統(tǒng)潛在危險和不可控性[2]。

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。一種可行的方案是將無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)應用到核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡

WSN是無線Ad-Hoc網(wǎng)絡的一個重要研究分支,是隨著MEMS、傳感技術、無線通訊和數(shù)字電子技術的迅速發(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)點通過自組織的方式構成的網(wǎng)絡(如圖1所示),WSN具有造價低、規(guī)模大、分布式模式、無需布線、節(jié)約成本、面向具體應用、配置靈活、工作頻段無需申請和付費、支持硬件加密等特點[3],現(xiàn)在已經(jīng)在很多領域進行了成功的應用,比如軍事應用[4];環(huán)境監(jiān)測,比較典型的例子是生物學家借助WSN對美國緬因州大鴨島上的一種海燕的生活習性進行細微觀察[5];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,來監(jiān)控設備的振動情況 [6]。2003年,美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時,無線傳感器網(wǎng)絡被列為第一項未來新興技術。我國于2006年初發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》[7]為信息技術確定了三個前沿方向,其中兩個與WSN的研究直接相關,足見對無線傳感器網(wǎng)絡的重視程度。

圖1 無線節(jié)點的結(jié)構

核電站設備冗余多、系統(tǒng)復雜,其監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷技術與常規(guī)電廠有很大的不同,長期以來,對機械運行狀態(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,本文將WSN應用到核電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中來,用無線網(wǎng)絡代替有線網(wǎng)絡,不失為一種可行的方案。本文設計了基于LM3S1138和CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡,設計了雙電源系統(tǒng),并且在實時性很高的TEEN路由算法基礎上設置了信號采集周期。應用該系統(tǒng)可以達到很好的數(shù)據(jù)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(jié)點的方法,即信號采集節(jié)點與匯聚節(jié)點[8]。節(jié)點的設計如圖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(jié)點用普通高能干電池供電,而匯聚節(jié)點則采用干電池與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[9]。這樣的話,可以大大增強匯聚節(jié)點的運算能力,最大限度地延長網(wǎng)絡的工作時間。同樣信號采集節(jié)點的干電池也可以采用這種穩(wěn)壓方式。

圖2 電源穩(wěn)壓電路

微處理器采用美國Luminary Micro公司的LM3S1138[10],該芯片采用的是內(nèi)核設計公司ARM最新推出的先進CortexTM-M3處理器。官方免費提供了基于C語言(符合ANSI C標準)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,也不需要掌握底層寄存器的操作細節(jié),只要懂C語言就能輕松開發(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(tǒng)的長久運行。它有32位ARM CortexTM-M3內(nèi)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,1.25 DMIPS/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射頻芯片實現(xiàn)連接。LM3S1138強大的功能,不到1美元的價格,完全能夠滿足大規(guī)模布置節(jié)點的要求。

射頻芯片采用TI-Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420[11],CC2420是為無線傳感器網(wǎng)絡設計的,符合2.4 GHz IEEE802.15.4的一款射頻芯片。它基于Chipcon公司的smartRF03技術,以0.18 μm 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)。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了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。

圖3 CC2420的外圍電路

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,保持包絡恒定。O-QPSK信號的數(shù)學表達式為:

ZO-QPSK(t)=U2kcos ωct+U2k-1sin ωct,

2kTb≤t≤(2k+1)Tb

U2kcos ωct+U2k+1sin ωct,

(2k-1)Tb≤t≤2kTb

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)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250 Kb/s,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

圖4 O-QPSK信號的產(chǎn)生

圖5 O-QPSK信號的解調(diào)

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就可以方便設置芯片的工作模式,并實現(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現(xiàn)信號的采集,如需采集機械振動信息,那么只要接入相應的加速度傳感器與電荷放大器就可以實現(xiàn),為了試驗方便,本課題先以溫度的測量來驗證算法的效果。由于篇幅原因,僅簡單介紹ADC初始化:

SysCtlPeripheralEnable(SYSCTLPERIPHADC);

//使能ADC模塊

SysCtlADCSpeedSet(SYSCTLADCSPEED125KSPS);

//設置ADC采樣速率

ADCSequenceDisable(ADCBASE,3);//配置前先禁止采樣序列

ADCSequenceConfigure(ADCBASE,3,ADCTRIGGERPROCESSOR,0);

//采樣序列配置:ADC基址、采樣序列編號、觸發(fā)事件、采樣優(yōu)先級

ADCSequenceStepConfigure(ADCBASE,3,0,ADCCTLTS |ADCCTLEND |ADCCTLIE);

//采樣步進設置:ADC基址、采樣序列編號、步值、通道設置

ADCIntEnable(ADCBASE,3)//使能ADC中斷

IntEnable(INTADC3);//使能ADC采樣序列中斷

IntMasterEnable();//使能處理器中斷

ADCSequenceEnable(ADCBASE,3);//使能采樣序列

至于基站的設計,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,就可以實現(xiàn)對基站的供電、下載程序到基站、與基站實現(xiàn)雙邊通信。這樣就大大簡化了電路的設計[9]。

圖6 基站與上位機接口電路

3 WSN的網(wǎng)絡支持

路由協(xié)議解決的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},是WSN的核心技術之一。WSN的路由協(xié)議與傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡不同,WSN要求網(wǎng)絡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)點的移動和失效以及工廠環(huán)境等綜合因素的影響,WSN的拓撲結(jié)構隨時可能發(fā)生變化,而且變化的趨勢是隨機的,再加上網(wǎng)絡中存在大量的數(shù)據(jù)冗余,所以設計一款適合WSN的路由協(xié)議非常必要。

針對核動力設備的特殊要求,采納一種實時性很高的路由算法TEEN[12]。TEEN是一種分層結(jié)構路由協(xié)議,該思想下網(wǎng)絡通常劃分為簇,每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭節(jié)點負責簇內(nèi)成員的管理,并且完成簇內(nèi)信息的收集和融合操作,同時還負責簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。TEEN網(wǎng)絡簡化結(jié)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(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)點通過廣播告知整個網(wǎng)絡自己成為簇頭的事實,網(wǎng)絡中的非簇頭節(jié)點根據(jù)接受信號的強度決定從屬的簇,并通知相關的簇。簇頭通過TDMA 方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)度,還向簇內(nèi)成員廣播有關數(shù)據(jù)的硬閾值(Hard Threshold,HT)和軟閾值(Soft Threshold,ST)兩個參數(shù)。硬閾值是開始進行數(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)點通過傳感器不斷地感知其周圍環(huán)境。當節(jié)點首次檢測到數(shù)據(jù)到達硬閾值,便打開收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳送,同時將該檢測值存入節(jié)點保存為監(jiān)測值(Sensed Value,SV)。節(jié)點再次進行數(shù)據(jù)傳送時要滿足兩個條件: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(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),變量SV便置為當前的的檢測值。TEEN協(xié)議的優(yōu)點是實時性比較高;通過設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)控者通過設置不同的軟閾值可以方便地平衡監(jiān)測準確性與系統(tǒng)節(jié)能性兩項指標;隨著簇首的變化,用戶可以根據(jù)需要重新設定兩個參數(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的基礎上再向數(shù)據(jù)采集節(jié)點廣播一個計數(shù)時間,這樣的話哪怕沒有達到所需要的一個閾值,只要計數(shù)時間一到,將無條件采集所需的數(shù)據(jù)[13],從而達到在線監(jiān)測的目的。

圖7 路由網(wǎng)絡結(jié)構

4 試驗結(jié)果

設置系統(tǒng)的硬閾值為10 ℃,軟閾值為0,計數(shù)器計數(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把試驗所采集的數(shù)據(jù)用曲線的形式標記出來,如圖8所示,采集到的數(shù)據(jù)在10 ℃以下呈點狀分布;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。

圖8 試驗數(shù)據(jù)

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)實現(xiàn)有效的采集。該系統(tǒng)成本低廉、布網(wǎng)方便,通過試驗表明,此系統(tǒng)完全能夠滿足工業(yè)的需要。在機電系統(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,重點研究數(shù)據(jù)的融合與機械震動信號的采集,并對采集信號進行特征提取,以便對有效數(shù)據(jù)進行處理。

參考文獻

[1]Mileti D S,Peek L.The Social Psychology of Public Response to Warnings of a Nuclear Power Plant Accident[J].Journal of Hazardous Materials,2000,75(3):181-194.

[2]謝赟.基于無線傳感器網(wǎng)絡的設備信息集成及故障診斷系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2008.

[3]李曉維.無線傳感器網(wǎng)絡技術[M].北京:北京理工大學出版社,2007.

[4]Chong C Y.Sensor Networks:Evolution,Opportunities and Challenges[J].IEEE,2003,91(8):1 247-1 256.

[5]Mainwaring,Polastre J,Szewczyk R,et al.Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring[A].Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications[C].2002:88-97.

[6]Intel Corporation.Hetrogenous Sensor Networks[EB/OL].http://www.intel.com/research.

[7]國務院.國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要[EB/OL].http://news.sina.com.cn.

[8]秦鏡,姜建國.基于無線傳感器網(wǎng)絡的電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].通訊與網(wǎng)絡,2008,34(2):102-105.

[9]http://www.embedtools.com/search.asp?sorttype=search.

[10]Luminary Micro.LM3S1138 Datasheet[EB/OL].http://www.luminarymicro.com,2008.

[11]Chipcon AS SmartRF CC2420 Preliminary Datasheet(Rev 1.2),2004.

[12]Manjeshwar A,Agrawal D P.TEEN: A Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks[A].Int′l Proc.of the 15th Parallel and Distributed Processing Symp[C].San Francisco: IEEE Computer Society,2001:2 009-2 015.

[13]Manjeshwar A,Agrawal D P.APTEEN:A Hybrid Protocol for Efficient Routing and Comprehensive Information Retrieval in Wireless Sensor Networks[A].Proc.of.IPDPS[C].2002.