基于無線傳感器網絡的核電裝備狀態監測系統設計

羅彬彬,張春良,張浩強

摘 要:針對核電站運行環境復雜,人員難以靠近等特點,提出基于無線傳感器網絡的核電裝備狀態監測系統,采用LM3S1138和CC2420作為無線傳感器網絡的主要硬件。核電設備監測系統對實時性要求特別高,為此采用分層路由協議TEEN,并為每個節點設置一個計數器。通過Matlab虛擬仿真平臺和現場數據采集表明,此系統能夠對信號實現有效的采集。

關鍵詞:無線傳感器網絡;LM3S1138;CC2420;路由協議

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

隨著現代化大生產的發展和科學技術的進步,核電裝備的結構越來越復雜,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進行監測就變得很重要。例如1979年3月美國發生的三里島核電站事故和1986年4月前蘇聯發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]。傳統的監測系統要么是離線監測,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,主要體現在:

(1) 網絡維護困難,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、旋轉機械轉動部分、危險區域及運動的設備,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整個系統的崩潰;

(4) 大量傳感器的安裝往往受到電纜重量和費用的限制,大量布線增加了系統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、無需布線的網絡。一種可行的方案是將無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)應用到核電裝備狀態監測系統。

1 無線傳感器網絡

WSN是無線Ad-Hoc網絡的一個重要研究分支,是隨著MEMS、傳感技術、無線通訊和數字電子技術的迅速發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通過自組織的方式構成的網絡(如圖1所示),WSN具有造價低、規模大、分布式模式、無需布線、節約成本、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],現在已經在很多領域進行了成功的應用,比如軍事應用[4];環境監測,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];工業監控,英特爾公司為美俄勒岡的一家芯片制造廠安裝200個無線傳感器節點,來監控設備的振動情況 [6]。2003年,美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時,無線傳感器網絡被列為第一項未來新興技術。我國于2006年初發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》[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絡的重視程度。

圖1 無線節點的結構

核電站設備冗余多、系統復雜,其監測數據和診斷技術與常規電廠有很大的不同,長期以來,對機械運行狀態的監測與診斷是采用傳統的閾值方法。針對以上特點,本文將WSN應用到核電設備狀態監測系統中來,用無線網絡代替有線網絡,不失為一種可行的方案。本文設計了基于LM3S1138和CC2420的無線傳感器網絡,設計了雙電源系統,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,因此采取雙節點的方法,即信號采集節點與匯聚節點[8]。節點的設計如圖1所示,由傳感器、微處理單元、通信模塊、電源模塊組成。信號采集節點用普通高能干電池供電,而匯聚節點則采用干電池與220 V雙電源設計方案(如圖2所示),220 V的電壓經過低壓變壓器降壓至5 V左右,整流后輸入到Vin,經過SPX1117穩壓電路以后,就可以在Vout輸出3.3 V的穩壓電[9]。這樣的話,可以大大增強匯聚節點的運算能力,最大限度地延長網絡的工作時間。同樣信號采集節點的干電池也可以采用這種穩壓方式。

圖2 電源穩壓電路

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,只要懂C語言就能輕松開發。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,1.25 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射頻芯片實現連接。LM3S1138強大的功能,不到1美元的價格,完全能夠滿足大規模布置節點的要求。

射頻芯片采用TI-Chipcon公司生產的CC2420[11],CC2420是為無線傳感器網絡設計的,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調制方式,圖4為O-QPSK信號產生電路,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方式解調,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。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 Kb/s,可以實現多點對多點的快速組網。

圖4 O-QPSK信號的產生

圖5 O-QPSK信號的解調

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,并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/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模塊含有一個可編程的序列發生器,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、觸發事件、中斷的產生和序列優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,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、觸發事件、采樣優先級

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,通過這種方式,只需要一根USB線,就可以實現對基站的供電、下載程序到基站、與基站實現雙邊通信。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的網絡支持

路由協議解決的是數據傳輸的問題,是WSN的核心技術之一。WSN的路由協議與傳統的Internet網絡不同,WSN要求網絡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,由于無線信道的不穩定性,節點的移動和失效以及工廠環境等綜合因素的影響,WSN的拓撲結構隨時可能發生變化,而且變化的趨勢是隨機的,再加上網絡中存在大量的數據冗余,所以設計一款適合WSN的路由協議非常必要。

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是一種分層結構路由協議,該思想下網絡通常劃分為簇,每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭節點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,同時還負責簇間數據的轉發。TEEN網絡簡化結構(可以建立更多的分簇)如圖7所示,由于事先已經確定了雙電源系統的個數以及位置,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,簇頭節點通過廣播告知整個網絡自己成為簇頭的事實,網絡中的非簇頭節點根據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 方法實現數據的調度,還向簇內成員廣播有關數據的硬閾值(Hard Threshold,HT)和軟閾值(Soft Threshold,ST)兩個參數。硬閾值是開始進行數據傳輸的最低限度,軟閾值則規定被檢測數據的變動范圍。在簇的穩定階段,節點通過傳感器不斷地感知其周圍環境。當節點首次檢測到數據到達硬閾值,便打開收發器進行數據傳送,同時將該檢測值存入節點保存為監測值(Sensed Value,SV)。節點再次進行數據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。只要節點發送數據,變量SV便置為當前的的檢測值。TEEN協議的優點是實時性比較高;通過設置硬閾值和軟閾值兩個參數,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兩項指標;隨著簇首的變化,用戶可以根據需要重新設定兩個參數的值,從而控制數據傳輸的次數。但是TEEN不能對數據進行連續的采集,不適合數據在線監測,為此在TEEN的基礎上再向數據采集節點廣播一個計數時間,這樣的話哪怕沒有達到所需要的一個閾值,只要計數時間一到,將無條件采集所需的數據[13],從而達到在線監測的目的。

圖7 路由網絡結構

4 試驗結果

設置系統的硬閾值為10 ℃,軟閾值為0,計數器計數時間為0.1 s,系統采集一次數據的時間為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的形式標記出來,如圖8所示,采集到的數據在10 ℃以下呈點狀分布;而超過10 ℃時,呈曲線分布;25~42 ℃之間與現場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。

圖8 試驗數據

5 結 語

核電裝備監測系統采用WSN,在滿足低功耗和系統可靠性的前提下,能夠對溫度數據實現有效的采集。該系統成本低廉、布網方便,通過試驗表明,此系統完全能夠滿足工業的需要。在機電系統監測、安全控制方面將會有很大的發展空間。在以后的研究中,重點研究數據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,以便對有效數據進行處理。

參考文獻

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