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(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越完善,，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高,。因此對(duì)核電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)就變得很重要。例如1979年3月美國(guó)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?cè)忈屃税踩僮鞯闹匾?。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要么是離線監(jiān)測(cè)，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(dòng)部分,、危險(xiǎn)區(qū)域及運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，無(wú)法對(duì)傳感器進(jìn)行有線連接,；
    (3)有線一般公用電源,，如果沒(méi)有良好的有線隔離，將導(dǎo)致一個(gè)傳感器故障引發(fā)整個(gè)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(wèn)題,，迫切需要引入一種新型的、無(wú)需布線的網(wǎng)絡(luò),。一種可行的方案是將無(wú)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(cè)系統(tǒng)。

    1,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
         
    WSN是無(wú)線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究分支,，是隨著MEMS,、傳感技術(shù)、無(wú)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(guò)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(wú)需布線、節(jié)約成本,、面向具體應(yīng)用,、配置靈活、工作頻段無(wú)需申請(qǐng)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(cè),，比較典型的例子是生物學(xué)家借助WSN對(duì)美國(guó)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(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),，來(lái)監(jiān)控設(shè)備的振動(dòng)情況。2003年,，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí),，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)。我國(guó)于2006年初發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)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(gè)前沿方向,，其中兩個(gè)與WSN的研究直接相關(guān),，足見(jiàn)對(duì)無(wú)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(cè)數(shù)據(jù)和診斷技術(shù)與常規(guī)電廠有很大的不同，長(zhǎng)期以來(lái),，對(duì)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷是采用傳統(tǒng)的閾值方法,。針對(duì)以上特點(diǎn)，本文將WSN應(yīng)用到核電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中來(lái),，用無(wú)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(wú)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(shí)性很高的TEEN路由算法基礎(chǔ)上設(shè)置了信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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220V雙電源設(shè)計(jì)方案(如圖2所示),，220 V的電壓經(jīng)過(guò)低壓變壓器降壓至5V左右，整流后輸入到Vin,，經(jīng)過(guò)SPX1117穩(wěn)壓電路以后,，就可以在Vout輸出3．3V的穩(wěn)壓電。這樣的話(huà),，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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。同樣信號(hào)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(guó)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(yǔ)言(符合ANSIC標(biāo)準(zhǔn))的驅(qū)動(dòng)庫(kù)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(xì)節(jié),，只要懂C語(yǔ)言就能輕松開(kāi)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(zhǎng)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；50MHz運(yùn)行頻率,，1．25DMIPS／MHz,，加快35％以上；64 KB單周期FLASH,，16KB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)3．125Mb／s，16單元接收FIFO和發(fā)送FIFO,；2路I2C,，支持400Kb／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(mǎn)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(wú)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,，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(guò)了IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求,，抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB),，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(hào)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(hào)的頻譜形狀,，保持包絡(luò)恒定。O-QPSK信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：          

     OQPSK信號(hào)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(shí)間上偏移了Tb／2，所以抽樣判決時(shí)刻也應(yīng)偏移Tb／2,，以保證對(duì)兩支路交錯(cuò)抽樣,。由此可以看出，O-QPSK克服了180°的相位跳變,，信號(hào)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)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kb／s,，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)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(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(xiě)緩存數(shù)據(jù),、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(shè)置發(fā)射／接收緩存器,。對(duì)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(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(duì)多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣,。每個(gè)采樣序列均對(duì)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(jí)提供靈活的編程,。如果單采集溫度信號(hào),，那么微處理器可以輕松地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，如需采集機(jī)械振動(dòng)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(cè)量來(lái)驗(yàn)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(shè)計(jì)，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(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(guò)這種方式,，只需要一根USB線，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)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?wèn)題,，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(wú)線信道的不穩(wěn)定性，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)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(shí)可能發(fā)生變化,，而且變化的趨勢(shì)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(duì)核動(dòng)力設(shè)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(jié)構(gòu)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(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(shí)還負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),。TEEN網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)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(gè)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(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(jié)點(diǎn)根據(jù)接受信號(hào)的強(qiáng)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(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(gè)參數(shù)。硬閾值是開(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)的變動(dòng)范圍,。在簇的穩(wěn)定階段，節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器不斷地感知其周?chē)h(huán)境,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)首次檢測(cè)到數(shù)據(jù)到達(dá)硬閾值,，便打開(kāi)收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，同時(shí)將該檢測(cè)值存人節(jié)點(diǎn)保存為監(jiān)測(cè)值(Sensed Value,，SV),。節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：當(dāng)前的檢測(cè)值大于硬閾值；當(dāng)前的檢測(cè)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(cè)值。TEEN協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性比較高,；通過(guò)設(shè)置硬閾值和軟閾值兩個(gè)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(guò)設(shè)置不同的軟閾值可以方便地平衡監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性與系統(tǒng)節(jié)能性?xún)身?xiàng)指標(biāo),；隨著簇首的變化，用戶(hù)可以根據(jù)需要重新設(shè)定兩個(gè)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(duì)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(cè)，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(gè)計(jì)數(shù)時(shí)間,，這樣的話(huà)哪怕沒(méi)有達(dá)到所需要的一個(gè)閾值,，只要計(jì)數(shù)時(shí)間一到，將無(wú)條件采集所需的數(shù)據(jù),，從而達(dá)到在線監(jiān)測(cè)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(shí)間為0．1 s,，系統(tǒng)采集一次數(shù)據(jù)的時(shí)間為0．01s。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(lái)，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(guò)10℃時(shí)，呈曲線分布,；25～42℃之間與現(xiàn)場(chǎng)電子溫度計(jì)測(cè)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(yǔ)

    核電裝備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用WSN,，在滿(mǎn)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(guò)試驗(yàn)表明,，此系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)的需要,。在機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、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(shù)據(jù)的融合與機(jī)械震動(dòng)信號(hào)的采集，并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行特征提取,，以便對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。