專利名稱：大型裝備安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)過程狀態(tài)檢測與作業(yè)安全領(lǐng)域，提供了一種對大型裝備安全監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
各種大型裝備在運行時若出現(xiàn)故障，則可能會導(dǎo)致巨大的生命及財產(chǎn)損失，因此大型裝備安全監(jiān)測是非常重要的。傳統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)基本上都基于有線網(wǎng)絡(luò)，這種有線通信網(wǎng)絡(luò)安裝時需要布線，另外在需要移動的工作場合，傳統(tǒng)的有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)也顯得很不方便；另一方面，有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的成本也相對較高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無需現(xiàn)場布線，具有自組織、低成本、低功耗、移動性好等特點，能大幅度降低建設(shè)成本，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對大型裝備監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢。大型裝備監(jiān)測需要實時可靠地采集處理數(shù)據(jù)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性、實時性提出了較高的要求。工業(yè)現(xiàn)場通常都存在較強的電磁干擾，如電機產(chǎn)生的電磁干擾，各種通信設(shè)備帶來的鄰頻干擾?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本上都基于單一信道，抗干擾能力差，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失，嚴重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。本發(fā)明為降低大型裝備用無線監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本，利用了性能相對較低的處理器、廉價的傳感器，設(shè)計了低成本的姿態(tài)檢測節(jié)點和聲光檢測節(jié)點，通過對部署的相當數(shù)量傳感器節(jié)點采集的多種信息融合處理，獲得裝備的姿態(tài)、異常聲光等狀態(tài)信息。該傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了兩層分簇結(jié)構(gòu)，為提高通信抗干擾性，采用了動態(tài)選擇最佳簇內(nèi)通信信道的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種大型裝備安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它利用廉價的檢測節(jié)點實時采集大型裝備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過多信道的方式將數(shù)據(jù)可靠地發(fā)送至監(jiān)測計算機，對這些檢測數(shù)據(jù)進行融合的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對大型裝備的安全監(jiān)測。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的該網(wǎng)絡(luò)包含若干個姿態(tài)檢測節(jié)點、若干個聲光檢測節(jié)點、一個匯聚節(jié)點和監(jiān)控計算機，其中姿態(tài)檢測節(jié)點和聲光檢測節(jié)點布置在大型裝備上，匯聚節(jié)點通過RS232接口或以太網(wǎng)接口以有線方式與監(jiān)控計算機進行通信；整個網(wǎng)絡(luò)采用兩層分簇結(jié)構(gòu)，第一層網(wǎng)絡(luò)由一個簇首和數(shù)個簇內(nèi)節(jié)點組成，第二層網(wǎng)絡(luò)由所有簇首和匯聚節(jié)點組成，網(wǎng)絡(luò)采用多信道無線方式通信。其所述的姿態(tài)檢測節(jié)點包括傳感器檢測模塊、CPU模塊、長距離射頻通信模塊和電源管理模塊；傳感器檢測模塊配使用一個集成雙軸加速度傳感器芯片ADXL202，可同時工作測量正負加速度，輸出為占空比調(diào)制的數(shù)字信號，通過CPU計數(shù)器提取占空比，計算獲得裝備工作時的加速度、傾斜度、位移量；長距離射頻通信模塊支持IEEE802. 15. 4標準的16 個信道，通信速率為250kbps，并能在48 μ s內(nèi)完成信道的切換。
其所述的聲光檢測節(jié)點包括傳感器檢測模塊、CPU模塊、通信模塊和電源管理模塊；傳感器檢測模塊使用駐極體麥克風(fēng)采集聲音，對微弱聲音信號進行濾波放大，并使用光敏電阻測量光照；該節(jié)點采用了與姿態(tài)檢測節(jié)點同樣的長距離射頻通信模塊。其所述的兩層分簇結(jié)構(gòu)由部署的大量姿態(tài)檢測節(jié)點與聲光檢測節(jié)點自組織而成， 每個節(jié)點具有全網(wǎng)唯一 ID號，在第一層網(wǎng)絡(luò)中，簇內(nèi)節(jié)點一跳與簇首通信；在第二層網(wǎng)絡(luò)中，簇首以多跳的方式將累積的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)中的鄰簇被分配不同的初始信道以降低鄰簇間的干擾，在通信的過程中，簇首根據(jù)與各個簇內(nèi)節(jié)點通信的鏈路質(zhì)量動態(tài)調(diào)整信道，每經(jīng)過一段時間重組網(wǎng)絡(luò)以平衡網(wǎng)絡(luò)的負載。本發(fā)明通過配置相當數(shù)量的廉價檢測節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大型裝備的安全監(jiān)測，可避免傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式存在的布線復(fù)雜、成本高、受移動限制等缺點；同時，通過采用多信道通信方案，解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的可靠性差、吞吐量低、延遲大等問題。


圖1是大型裝備安全監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖2是姿態(tài)檢測節(jié)點功能模塊圖。圖3是聲光檢測節(jié)點功能模塊圖。圖4是匯聚節(jié)點功能模塊圖。圖5是網(wǎng)絡(luò)通信流程示意圖。
具體實施例方式為了更清楚的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述和說明。圖1是大型裝備安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。大型裝備上多點部署有姿態(tài)檢測節(jié)點1、聲光檢測節(jié)點2，姿態(tài)檢測節(jié)點1采集加速度、傾斜度、速度參量，聲光檢測節(jié)點2 采集聲音和光照。姿態(tài)檢測節(jié)點1和聲光檢測節(jié)點2配備有長距離射頻模塊，網(wǎng)絡(luò)采用兩層分簇結(jié)構(gòu)，并利用多信道的方式抵抗干擾。簇首累積簇內(nèi)數(shù)據(jù)并以多跳的形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點配有高靈敏天線以接收遠距離數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點接收所有簇首發(fā)送的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過有線的方式傳送至安全監(jiān)控計算機。為方便管理，將各個姿態(tài)檢測節(jié)點與聲光檢測節(jié)點編碼網(wǎng)內(nèi)唯一 ID。圖2是姿態(tài)檢測節(jié)點原理圖。姿態(tài)檢測節(jié)點包括傳感器檢測模塊、CPU模塊、射頻通信模塊和電源管理模塊。為降低能量消耗，延長電池使用壽命，采用了 TI公司的超低功耗MSP430F1611單片機，射頻通信模塊由射頻通信芯片、放大芯片、PCB天線等組成，射頻通信芯片選用TI公司的CC2240，該芯片帶寬250kbps，性能穩(wěn)定、功耗低，支持IEEE802. 15. 4 標準中的16個物理信道，并能在48μ s內(nèi)完成信道的切換。CC2240通過SPI總線與 MSP430F1611單片機相連，傳輸數(shù)據(jù)和控制信息。CC2240芯片外接射頻放大芯片CC2591，以擴大通信半徑。為了進一步減小體積、節(jié)約成本，天線選擇了倒F狀PCB天線。電源管理模塊包含供電電路、剩余電量檢測電路，當剩余電量過低時，自動減少其成為簇首的機會。傳感器檢測模塊使用了一塊Analogy Devices公司的ADXL202加速度傳感器，可測量動態(tài)加速度與靜態(tài)加速度，輸出信號是周期可調(diào)的脈寬調(diào)制信號。將ADXL202采集的X、Y兩個方向脈寬調(diào)制信號送到MSP430兩個不同的I/O接口，可提取脈寬調(diào)制信號占空比，獲得裝備的加速度、傾斜度、位移量等姿態(tài)參量。圖3是聲光檢測節(jié)點原理圖。聲光檢測節(jié)點包含有傳感器模塊、MSP 430F1611單片機、CC2240射頻通信模塊和電源管理模塊。傳感器模塊使用光敏電阻采集當前環(huán)境的光照強度，經(jīng)過調(diào)理電路送到MSP430F1611的A/D接口 ；使用駐極體麥克風(fēng)采集工作環(huán)境的聲音強度，由于直接采集的信號非常微弱并含有干擾信號，采用兩級放大電路進行信號放大， 放大器采用了 TI公司的0PA333運算放大器，并在兩級放大器之間加入無源一階帶通濾波器過濾無用信號，最后將放大的信號送入微處理器的A/D接口。圖4匯聚節(jié)點功能模塊圖。匯聚節(jié)點包括有處理器模塊、射頻模塊、Whip天線以及接口模塊。匯聚節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中起到網(wǎng)關(guān)作用，一方面收集所有簇首發(fā)送的數(shù)據(jù)，一方面將數(shù)據(jù)及時傳送給監(jiān)控計算機。由于匯聚節(jié)點任務(wù)重、數(shù)據(jù)處理量大，為避免匯聚節(jié)點成為系統(tǒng)性能的瓶頸，CPU采用了處理能力更強的Atmel公司的AT91SAM9263⑶，節(jié)點包括4M DataFlash、256MNandFlash、64K EEPR0M、64M SDRAM。射頻芯片采用了 CC2240 芯片，考慮到匯聚節(jié)點與簇首通信距離遠，所以匯聚節(jié)點裝配了價格稍貴但性能更好的Whip天線。為保證匯聚節(jié)點的可擴展性，提供了以太網(wǎng)接口、RS232接口以滿足與不同監(jiān)控計算機連接的需要。圖5是網(wǎng)絡(luò)的通信流程圖。在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，檢測節(jié)點根據(jù)剩余能量自組織為分簇結(jié)構(gòu)，并由簇首通過自身ID號競爭信道，協(xié)商分配給鄰簇不同的簇內(nèi)初始信道避免簇間干擾，簇首根據(jù)與其他簇首通信鏈路質(zhì)量確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，建立整個網(wǎng)絡(luò)的路由。通信過程中輪流進行簇內(nèi)通信和簇間通信，經(jīng)過一段時間通信后，網(wǎng)絡(luò)重新進行初始化以平衡簇首能量消耗。在通信的過程中，簇首節(jié)點按時隙t計算與每個簇內(nèi)節(jié)點通信的PRR(接包率) 預(yù)測值，并根據(jù)PRR預(yù)測值維護一個信道質(zhì)量列表，PRR預(yù)測值根據(jù)公式(1)、(2)計算
權(quán)利要求
1.一種大型裝備安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，該網(wǎng)絡(luò)包含若干個姿態(tài)檢測節(jié)點、若干個聲光檢測節(jié)點、一個匯聚節(jié)點和監(jiān)控計算機，其中姿態(tài)檢測節(jié)點和聲光檢測節(jié)點布置在大型裝備上，匯聚節(jié)點通過RS232接口或以太網(wǎng)接口以有線方式與監(jiān)控計算機進行通信；整個網(wǎng)絡(luò)采用兩層分簇結(jié)構(gòu)，第一層網(wǎng)絡(luò)由一個簇首和數(shù)個簇內(nèi)節(jié)點組成，第二層網(wǎng)絡(luò)由所有簇首和匯聚節(jié)點組成，網(wǎng)絡(luò)采用多信道無線方式通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型裝備安全監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，其所述的姿態(tài)檢測節(jié)點包括傳感器檢測模塊、CPU模塊、長距離射頻通信模塊和電源管理模塊；傳感器檢測模塊配使用一個集成雙軸加速度傳感器芯片ADXL202，可同時工作測量正負加速度， 輸出為占空比調(diào)制的數(shù)字信號，通過CPU計數(shù)器提取占空比，計算獲得裝備工作時的加速度、傾斜度、位移量；長距離射頻通信模塊支持IEEE802. 15. 4標準的16個信道，通信速率為 250kbps,并能在48 μ s內(nèi)完成信道的切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型裝備安全監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，其所述的聲光檢測節(jié)點包括傳感器檢測模塊、CPU模塊、通信模塊和電源管理模塊；傳感器檢測模塊使用駐極體麥克風(fēng)采集聲音，對微弱聲音信號進行濾波放大，并使用光敏電阻測量光照；該節(jié)點采用了與姿態(tài)檢測節(jié)點同樣的長距離射頻通信模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型裝備安全監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，其所述的兩層分簇結(jié)構(gòu)由部署的大量姿態(tài)檢測節(jié)點與聲光檢測節(jié)點自組織而成，每個節(jié)點具有全網(wǎng)唯一 ID號，在第一層網(wǎng)絡(luò)中，簇內(nèi)節(jié)點一跳與簇首通信；在第二層網(wǎng)絡(luò)中，簇首以多跳的方式將累積的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)中的鄰簇被分配不同的初始信道以降低鄰簇間的干擾，在通信的過程中，簇首根據(jù)與各個簇內(nèi)節(jié)點通信的鏈路質(zhì)量動態(tài)調(diào)整信道，每經(jīng)過一段時間重組網(wǎng)絡(luò)以平衡網(wǎng)絡(luò)的負載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型裝備安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它適用于各類大型制造裝備的工作狀態(tài)檢測與作業(yè)安全監(jiān)控。該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由姿態(tài)檢測節(jié)點、聲光檢測節(jié)點、匯聚節(jié)點等組成，姿態(tài)檢測節(jié)點采集傾斜度、位移量、加速度參量，聲光檢測節(jié)點采集工作區(qū)聲音和光亮，配置在大型裝備上的多個檢測節(jié)點經(jīng)匯聚節(jié)點把采集的數(shù)據(jù)送到監(jiān)控計算機進行融合處理，以獲得裝備的姿態(tài)、異常聲光等信息。它采用一種多信道的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、鏈路質(zhì)量自適應(yīng)選擇信道來增強通信抗干擾性，節(jié)點之間通信距離可達1000m，匯聚節(jié)點平均傳輸延時≤10ms。本發(fā)明利用多個廉價的姿態(tài)、聲光檢測節(jié)點，實現(xiàn)了對大型裝備的安全監(jiān)控。
文檔編號H04W84/18GK102185906SQ201110100848
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者孫東旭, 曹建福, 鄭輯光, 金楓 申請人:西安交通大學(xué)