基于無線傳感器網(wǎng)絡的核電裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計-工業(yè)控制
0 引 言
隨著現(xiàn)代化大生產的發(fā)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(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。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、旋轉機械轉動部分、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。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，現(xiàn)在已經在很多領域進行了成功的應用，比如軍事應用；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；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。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》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。
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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Ⅲ。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的電壓經過低壓變壓器降壓至5 V左右，整流后輸入到Vin，經過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。
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微處理器采用美國Luminary Micro公司的LM3S1138，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，
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