基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 2011-06-06 20:03:44 來源:互聯(lián)網(wǎng) 　
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)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。因此對核電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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。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(shè)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(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)動部分、危險區(qū)域及運(yùn)動的設(shè)備，無法對傳感器進(jìn)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(dǎo)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(fèi)用的限制，大量布線增加了系統(tǒng)潛在危險和不可控性。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(luò)。一種可行的方案是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)應(yīng)用到核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
　　 WSN是無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究分支，是隨著MEMS、傳感技術(shù)、無線通訊和數(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)點通過自組織的方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)(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(yīng)用、配置靈活、工作頻段無需申請和付費(fèi)、支持硬件加密等特點，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，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(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個無線傳感器節(jié)點，來監(jiān)控設(shè)備的振動情況。2003年，美國《技術(shù)評論》雜志論述未來新興十大技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項未來新興技術(shù)。我國于2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中兩個與WSN的研究直接相關(guān)，足見對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重視程度。


點擊看大圖

　　核電站設(shè)備冗余多、系統(tǒng)復(fù)雜，其監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷技術(shù)與常規(guī)電廠有很大的不同，長期以來，對機(jī)械運(yùn)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(yīng)用到核電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中來，用無線網(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)計了基于LM3S1138和CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了雙電源系統(tǒng)，并且在實時性很高的TEEN路由算法基礎(chǔ)上設(shè)置了信號采集周期。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
　　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Ⅲ。節(jié)點的設(shè)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(shè)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。這樣的話，可以大大增強(qiáng)匯聚節(jié)點的運(yùn)算能力，最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)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。


點擊看大圖

　　 微處理器采用美國Luminary Micro公司的LM3S1138，該芯片采用的是內(nèi)核設(shè)計公司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語言(符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn))的驅(qū)動庫軟件包，并且源代碼是公開的，