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198*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)忈屃税踩僮鞯闹匾浴鹘y(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**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)*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220 V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5 V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3．3 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(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ANSI C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；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(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(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(guò)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(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)250 Kb／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
