大型装备安全监测无线传感器网络

摘要

本发明公开了一种大型装备安全监测无线传感器网络，它适用于各类大型制造装备的工作状态检测与作业安全监控。该监测网络由姿态检测节点、声光检测节点、汇聚节点等组成，姿态检测节点采集倾斜度、位移量、加速度参量，声光检测节点采集工作区声音和光亮，配置在大型装备上的多个检测节点经汇聚节点把采集的数据送到监控计算机进行融合处理，以获得装备的姿态、异常声光等信息。它采用一种多信道的分簇网络结构，根据现场环境、链路质量自适应选择信道来增强通信抗干扰性，节点之间通信距离可达1000m，汇聚节点平均传输延时≤10ms。本发明利用多个廉价的姿态、声光检测节点，实现了对大型装备的安全监控。

说明书

技术领域

本发明涉及生产过程状态检测与作业安全领域，提供了一种对大型装备安全监测的无线传感器网络系统。

背景技术

各种大型装备在运行时若出现故障，则可能会导致巨大的生命及财产损失，因此大型装备安全监测是非常重要的。传统工业监测通信网络基本上都基于有线网络，这种有线通信网络安装时需要布线，另外在需要移动的工作场合，传统的有线监控网络也显得很不方便；另一方面，有线监测网络的成本也相对较高。无线传感器网络无需现场布线，具有自组织、低成本、低功耗、移动性好等特点，能大幅度降低建设成本，利用无线传感器网络实现对大型装备监测具有明显的优势。

大型装备监测需要实时可靠地采集处理数据，对无线传感器网络可靠性、实时性提出了较高的要求。工业现场通常都存在较强的电磁干扰，如电机产生的电磁干扰，各种通信设备带来的邻频干扰。现有的无线传感器网络基本上都基于单一信道，抗干扰能力差，容易产生数据包丢失，严重影响无线传感器网络的可靠性。

本发明为降低大型装备用无线监测传感器网络的成本，利用了性能相对较低的处理器、廉价的传感器，设计了低成本的姿态检测节点和声光检测节点，通过对部署的相当数量传感器节点采集的多种信息融合处理，获得装备的姿态、异常声光等状态信息。该传感器网络采用了两层分簇结构，为提高通信抗干扰性，采用了动态选择最佳簇内通信信道的方案。

发明内容

本发明提供了一种大型装备安全监测无线传感器网络，它利用廉价的检测节点实时采集大型装备工作状态数据，通过多信道的方式将数据可靠地发送至监测计算机，对这些检测数据进行融合的基础上实现对大型装备的安全监测。

本发明的技术方案是这样实现的：

该网络包含若干个姿态检测节点、若干个声光检测节点、一个汇聚节点和监控计算机，其中姿态检测节点和声光检测节点布置在大型装备上，汇聚节点通过RS232接口或以太网接口以有线方式与监控计算机进行通信；整个网络采用两层分簇结构，第一层网络由一个簇首和数个簇内节点组成，第二层网络由所有簇首和汇聚节点组成，网络采用多信道无线方式通信。

其所述的姿态检测节点包括传感器检测模块、CPU模块、长距离射频通信模块和电源管理模块；传感器检测模块配使用一个集成双轴加速度传感器芯片ADXL202，可同时工作测量正负加速度，输出为占空比调制的数字信号，通过CPU计数器提取占空比，计算获得装备工作时的加速度、倾斜度、位移量；长距离射频通信模块支持IEEE802.15.4标准的16个信道，通信速率为250kbps，并能在48μs内完成信道的切换。

其所述的声光检测节点包括传感器检测模块、CPU模块、通信模块和电源管理模块；传感器检测模块使用驻极体麦克风采集声音，对微弱声音信号进行滤波放大，并使用光敏电阻测量光照；该节点采用了与姿态检测节点同样的长距离射频通信模块。

其所述的两层分簇结构由部署的大量姿态检测节点与声光检测节点自组织而成，每个节点具有全网唯一ID号，在第一层网络中，簇内节点一跳与簇首通信；在第二层网络中，簇首以多跳的方式将累积的数据转发至汇聚节点；网络中的邻簇被分配不同的初始信道以降低邻簇间的干扰，在通信的过程中，簇首根据与各个簇内节点通信的链路质量动态调整信道，每经过一段时间重组网络以平衡网络的负载。

本发明通过配置相当数量的廉价检测节点构成无线传感器网络系统，实现了对大型装备的安全监测，可避免传统有线监控方式存在的布线复杂、成本高、受移动限制等缺点；同时，通过采用多信道通信方案，解决了传统无线传感器网络存在的可靠性差、吞吐量低、延迟大等问题。

附图说明

图1是大型装备安全监控无线传感器网络结构图。

图2是姿态检测节点功能模块图。

图3是声光检测节点功能模块图。

图4是汇聚节点功能模块图。

图5是网络通信流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述和说明。

图1是大型装备安全监测无线传感器网络结构图。大型装备上多点部署有姿态检测节点1、声光检测节点2，姿态检测节点1采集加速度、倾斜度、速度参量，声光检测节点2采集声音和光照。姿态检测节点1和声光检测节点2配备有长距离射频模块，网络采用两层分簇结构，并利用多信道的方式抵抗干扰。簇首累积簇内数据并以多跳的形式将数据转发至汇聚节点，汇聚节点配有高灵敏天线以接收远距离数据，汇聚节点接收所有簇首发送的数据并将数据通过有线的方式传送至安全监控计算机。为方便管理，将各个姿态检测节点与声光检测节点编码网内唯一ID。

图2是姿态检测节点原理图。姿态检测节点包括传感器检测模块、CPU模块、射频通信模块和电源管理模块。为降低能量消耗，延长电池使用寿命，采用了TI公司的超低功耗MSP430F1611单片机，射频通信模块由射频通信芯片、放大芯片、PCB天线等组成，射频通信芯片选用TI公司的CC2240，该芯片带宽250kbps，性能稳定、功耗低，支持IEEE802.15.4标准中的16个物理信道，并能在48μs内完成信道的切换。CC2240通过SPI总线与MSP430F1611单片机相连，传输数据和控制信息。CC2240芯片外接射频放大芯片CC2591，以扩大通信半径。为了进一步减小体积、节约成本，天线选择了倒F状PCB天线。电源管理模块包含供电电路、剩余电量检测电路，当剩余电量过低时，自动减少其成为簇首的机会。传感器检测模块使用了一块Analogy Devices公司的ADXL202加速度传感器，可测量动态加速度与静态加速度，输出信号是周期可调的脉宽调制信号。将ADXL202采集的X、Y两个方向脉宽调制信号送到MSP430两个不同的I/O接口，可提取脉宽调制信号占空比，获得装备的加速度、倾斜度、位移量等姿态参量。

图3是声光检测节点原理图。声光检测节点包含有传感器模块、MSP 430F1611单片机、CC2240射频通信模块和电源管理模块。传感器模块使用光敏电阻采集当前环境的光照强度，经过调理电路送到MSP430F1611的A/D接口；使用驻极体麦克风采集工作环境的声音强度，由于直接采集的信号非常微弱并含有干扰信号，采用两级放大电路进行信号放大，放大器采用了TI公司的OPA333运算放大器，并在两级放大器之间加入无源一阶带通滤波器过滤无用信号，最后将放大的信号送入微处理器的A/D接口。

图4汇聚节点功能模块图。汇聚节点包括有处理器模块、射频模块、Whip天线以及接口模块。汇聚节点在网络中起到网关作用，一方面收集所有簇首发送的数据，一方面将数据及时传送给监控计算机。由于汇聚节点任务重、数据处理量大，为避免汇聚节点成为系统性能的瓶颈，CPU采用了处理能力更强的Atmel公司的AT91SAM9263CU，节点包括4M DataFlash、256MNandFlash、64K EEPROM、64M SDRAM。射频芯片采用了CC2240芯片，考虑到汇聚节点与簇首通信距离远，所以汇聚节点装配了价格稍贵但性能更好的Whip天线。为保证汇聚节点的可扩展性，提供了以太网接口、RS232接口以满足与不同监控计算机连接的需要。

图5是网络的通信流程图。在网络初始化阶段，检测节点根据剩余能量自组织为分簇结构，并由簇首通过自身ID号竞争信道，协商分配给邻簇不同的簇内初始信道避免簇间干扰，簇首根据与其他簇首通信链路质量确定转发路径，建立整个网络的路由。通信过程中轮流进行簇内通信和簇间通信，经过一段时间通信后，网络重新进行初始化以平衡簇首能量消耗。在通信的过程中，簇首节点按时隙t计算与每个簇内节点通信的PRR(接包率)预测值，并根据PRR预测值维护一个信道质量列表，PRR预测值根据公式(1)、(2)计算：

${\mathrm{PRR}}_t{(m,F)}_i=\frac{h_t\left({m,F}_i\right)}{H_t\left({m,F}_i\right)}---\left(1\right)$

E_t(m，F_i)＝σE_t-1(m，F_i)+(1-σ)PRR_t(m，F_i)(0＜σ＜1)         (2)

其中，h_t(m，F_i)为t时间内簇首n在信道F_i上收到来自节点m的包数，H_t(m，F_i)为t时间内节点m在信道F_i上发给簇首n的包数，PRR_t(m，F_i)为簇首n在信道F_i上对节点m的接包率统计值；E_t(m，F_i)为本时隙的PRR预测值；E_t-1(m，F_i)为上一时隙的PRR预测值，σ为起避免瞬时噪声引起统计失真的加权系数。

在实际的应用中，根据对可靠性要求设定PRR阈值，当某时隙内簇首n与某簇内节点m通信PRR预测值低于阈值，说明该通信信道当前收到了较强的局部干扰，应该进行信道的切换，簇首n从信道列表里选择质量最佳信道，并向簇内节点m发起调整至该信道的命令，该簇内节点收到命令后返回确认信息并切换至新的信道，簇首收到确认信息进行信道切换并在新的信道上与该簇内节点进行通信。

本发明将部署在大型装备上的一定数量的姿态检测节点、声光检测节点，与连接监控计算机的汇聚节点组成无线工业监测网络，姿态检测节点包含有双轴加速度传感器，实现对两个正交方向的加速度值采集，通过进一步数据处理获得大型装备的移动速度、倾斜度等参量。声光检测节点利用驻极体麦克风采集工作环境的声音，进行滤波放大，并利用廉价的光敏电阻采集当前光照强度，通过采集的声音和光照数据的分析判断获得是否有异常声光的产生。检测节点的通信模块支持IEEE802.15.4标准中的多个信道并能在通信过程中根据链路质量切换信道，通过射频放大芯片以扩大通信的距离。汇聚节点采用了高速的ARM9芯片，以满足大量数据处理、传输的需要，配置Whip天线以加强接收性能，并提供了以太网、RS-232接口以满足不同监控系统的需要。

本网络采取两层分簇结构，第一层网络由一个簇首和若干个簇内节点组成，簇内节点一跳直接与簇首节点通信；第二层网络由所有簇首与汇聚节点组成，各个簇首通过多跳的方式将簇内数据转发至汇聚节点，网络采用IEEE802.15.4标准进行通信。在网络初始化的过程中，姿态检测节点及声光检测节点共同竞争簇首，未被选举为簇首的节点加入一跳通信范围内的信号最强的簇首，将网络划分为由多个簇构成的第一层网络，在第一层网络形成以后，邻簇分配不同的初始信道以降低簇间干扰。在初始信道分配完成以后，由汇聚节点发起簇首搜索信息，下游簇首收到该信息并将其转发至上游簇首，上游簇首根据下游簇首的转发信息确定簇间转发路径，形成第二层网络。在数据通信的过程中，簇内通过簇首轮询簇内节点的方式累积簇内数据，并以多跳的方式转发至汇聚节点，遇到局部干扰时由簇首节点根据接包率预测值决定进行信道的切换提高通信的可靠性。汇聚节点通过有线的方式把数据传送至监控计算机。