0 引 言
隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步，核電裝備的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)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(gòu)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(jīng)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**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*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。
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(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。
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(qū)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，電不需要掌握底層寄存器的操作細節(jié)，只要懂C語言就能輕松開發(fā)。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(tǒng)的長久運行。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(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射頻芯片實現(xiàn)連接。LM3S1138強大的功能，不到1美元的價格，完全能夠滿足大規(guī)模布置節(jié)點的要求。
射頻芯片采用TI-Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420，CC22420是為無線傳感器網(wǎng)絡設計的，符合2．4 GHzIEEE802．15．4的一款射頻芯片。它基于Chipcon公司的smartRF03技術，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。
CC2420采用O-QPSK調(diào)制方式，圖4為O-QPSK信號產(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(shù)學表達式為：
OQPSK信號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(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250 Kb／s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。
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(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)、讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器。對于傳感器的使用，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1 MSPS，ADC模塊含有一個可編程的序列發(fā)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(fā)事件、中斷的產(chǎn)生和序列優(yōu)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(xiàn)信號的采集，如需采集機械振動信息，那么只要接人相應的加速度傳感器與電荷放大器就可以實現(xiàn)，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：
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(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，通過這種方式，只需要一根USB線，就可以實現(xiàn)對基站的供電、下載程序到基站、與基站實現(xiàn)雙邊通信。這樣就大大簡化了電路的設計。
3 WSN的網(wǎng)絡支持
路由協(xié)議解決的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，是WSN的核心技術之一。WSN的路由協(xié)議與傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡不同，WSN要求網(wǎng)絡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，由于無線信道的不穩(wěn)定性，節(jié)點的移動和失效以及工廠環(huán)境等綜合因素的影響，WSN的拓撲結(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生變化，而且變化的趨勢是隨機的，再加上網(wǎng)絡中存在大量的數(shù)據(jù)冗余，所以設計一款適合WSN的路由協(xié)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。TEEN是一種分層結(jié)構(gòu)路由協(xié)議，該
