基于无线传感网络的多变量分布式在线监测系统

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基于无线传感网络的多变量分布式在线监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及无线传感和通信技术领域，尤其涉及一种基于无线传感网络的多变量分布式在线监测系统。\n背景技术\n[0002] 电力工程、水利工程等是关系国计民生的重要基础产业和公用事业，其安全、稳定运行，是国民经济全面协调、可持续发展的重要保障条件。\n[0003] 输电线路，尤其是高电压等级的架空输电线路，是电力系统的命脉，其运行状况的好坏直接影响着电网运行的安全和稳定。覆冰、台风等自然灾害是输电线路常见的安全隐患之一，近年来世界范围内极限气候的出现，我国输电线路的风、冰灾害呈现了递增趋势。\n综上，架空输电线路的运行维护及监测管理工作至关重要，尤其是在台风、冰雪天气等恶劣条件下，保障架空输电线路的正常稳定运行更是重中之重。\n[0004] 水利工程，尤其是水电闸门，在防洪防汛方面，其安全稳定运行不仅是水电站安全运行的重要保障，而且还是防洪防汛平稳调度、上下游水位控制等事关百姓生命财产安全的可靠屏障。因此水电闸门的实时监测显得尤为重要。\n[0005] 随着国民经济的不断发展和科学技术水平的不断提升，大型工程设备等在隧道施工、轨道交通建设、市政建设等各方面均取得了较快的发展，其安全稳定运行是工程项目健康、持续进展的重要保障，而这些都离不开能够实时反馈其工况信息的监测系统。\n[0006] 近年来，我国各领域专家学者针对各类工程进行了防灾监控体系研究，并取得了一系列的成果。公开号为CN 1629647A的中国发明专利申请提出了一种高压电网输电线路的智能化实时在线监测系统，主要针对高压输电系统中高压杆塔上绝缘子串的绝缘性能进行实时在线监测。公开号为CN 101586971A的中国发明专利申请提出了一种输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，针对输电线路工作环境的温度、湿度、风速、风向、日照等环境信息进行监测。公开号为CN 101603850A的中国发明专利申请提出了一种特高压输电线路在线监测系统，针对输电线路导线的综合载荷、绝缘子串泄漏电流、气象信息等进行监测。公开号为CN 102564493A的中国发明专利申请提出了一种架空输电线路舞动在线监测系统，采用加速度传感器对线路舞动进行精确定位，定位数据通过短程射频上传至主站，并通过GPRS将监测到的数据及环境气象数据上传至后台上位机。公开号为CN \n102818590A的中国发明专利申请提出了一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，通过采集导线及周围环境的状态信息来实现对输电线路覆冰情况远程实时监测。\n公开号为CN 102193542A的中国发明专利申请公开了一种闸门感知测控智能节点，提出了采用物联网技术，通过数据采集中端采集闸门的各有关数据，能够全面采集闸门状态，并实现快速实时的主动控制策略。\n[0007] 这些代表性成果针对实际结构工程面临的局部问题进行了深度地分析，并提出了有效的解决方案。然而，并没有针实际工程结构的振动时间历程、动应力/应变等多变量信息进行在线监测进而获得灾害形成、工程结构病变和反映结构损坏的全过程数据。\n发明内容\n[0008] 针对现有技术存在的不足，本发明采用基于ZigBee协议的无线传感器网络技术，提出了基于无线传感网络的多变量分布式在线监测系统及方法，用于对实际工程结构的振动时间历程、动应力、应变等多变量信息进行在线监测。\n[0009] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：\n[0010] 一、基于无线传感网络的多变量分布式在线监测系统，包括上位机和下位机；所述的下位机包括中央控制模块、射频传输模块、数据采集模块和电源管理模块，数据采集模块、中央控制模块、射频传输模块依次相连，电源管理模块对数据采集模块、中央控制模块、射频传输模块提供电压并进行电压管理。\n[0011] 上述中央控制模块用来控制数据采集及存储采集到的数据，包括处理器、外围电路和存储模块，外围电路和存储模块均与处理器相连。\n[0012] 上述射频传输模块用来与上位机进行通信，包括相互连接的无线数传模块和天线模块。\n[0013] 上述数据采集模块用来采集数据并对采集的数据进行滤波和放大，包括多变量信息采集单元、多通道信号传输单元和信号调理电路，多变量信息采集单元、多通道信号传输单元、信号调理电路依次相连；多变量信息采集单元为分布于各采集点的不同类型的传感器，多类型传感器可采集多变量信息，多变量信息采集单元包括应变式传感器节点和/或环境传感器节点，多变量信号采集单元具体可包括加速度传感器和电阻应变传感器；多通道信号传输单元用来对应传输不同类型的数据信号，本发明中根据实际使用的传感器节点的类型，多通道传输单元可为一定数量的四通道单刀双掷开关；信号调解电路用来对多变量信息采集单元采集的数据信号进行滤波和放大，包括滤波电路和放大电路。\n[0014] 上述数据采集模块和中央控制模块之间设置有AD转换模块，用来将数据采集模块采集的模拟信号转换成数字信号后输入中央控制模块。\n[0015] 上述电源管理模块用来提供并分配电压，包括稳压模块和分压模块。稳压模块包括直流电压供电模块和降压型开关稳压电源控制器，直流电压供电模块用来提供隔离工作电压，降压型开关稳压电源控制器用来提供数字工作电压。分压模块主要为低漏失电压调整器件，通过调整稳压模块的输出电压来得到系统中所需的各种电压。\n[0016] 下位机中，核心电路与其相应的外围电路间均设有光耦隔离，在传输低速信号的核心电路和外围电路之间采用可控制的光电耦合器隔离，在传输高速信号的核心电路和外围电路之间采用高速光电耦合器隔离。\n[0017] 上述上位机包括相互连接的无线数传模块和PC机，无线数传模块和PC机通过TTL转接板连接。PC机通过无线数传模块对下位机发送操作命令、接收下位机的反馈信息，并实时处理返回数据。\n[0018] 二、基于上述在线监测系统的监控方法，用于采集影响工程结构的参数从而获取实况监控数据，包括步骤：\n[0019] 步骤一，上位机向下位机发出设备搜索指令；\n[0020] 步骤二，接收到搜索指令的下位机将带有地址标记码的数据依据地址标记码顺次延时返回至上位机，不同的下位机设有不同的地址标记码；\n[0021] 步骤三，上位机根据各下位机的地址标记码将采样频率和采集信号类型发送至全部或指定的下位机，下位机依据采样频率和采集信号类型控制对应的传感器节点进行现场采样；\n[0022] 步骤四，传感器节点现场采集的多变量信息实时存储于下位机中央控制模块的存储模块中，采集的多变量信息根据上位机的指令回传或不回传至上位机。\n[0023] 上述步骤三中，在设置采样频率后，选择停止采样模式为手动停止还是自动停止；\n若选择手动停止，则下位机接收到上位机发送的停止采样指令后停止采样；若选择自动停止，则通过上位机选择采样时间，当到达采样时间后停止采样\n[0024] 步骤四中，上位机可通过控制多通道信号传输单元的通道的导通和关闭来选择接受某一类或几类的采集信号。\n[0025] 步骤四中，若采集的多变量信息回传至上位机，则将相同下位机的同一通道的采集信号存储于下位机PC机中的同一数据库中，并生产被监控对象的实况监控图。\n[0026] 当停止采样后，针对需要长期实时监控的情况，采用低功耗模式，当开始采样时，恢复正常模式。\n[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：\n[0028] 本发明方法可应用于工程结构，例如输电线路、水电站闸门，用来监控对其结构有影响的参数，例如风振速度、风振加速度、动应力、动应变、温度、风速等多变信息，保留了实际工程结构灾害发生全过程的时域和频域信息，实现工程结构的实时监控，并可以获得灾害形成、工程结构病变和工程结构损坏全过程的数据，为实际工程结构的灾害预警机制提供了一种有效的技术手段。\n附图说明\n[0029] 图1 是本发明具体实施的整体构架图；\n[0030] 图2是本发明中电源管理模块功能框图；\n[0031] 图3是高速光电耦合隔离的部分电路图；\n[0032] 图4是本发明监控方法流程图；\n[0033] 图5是上位机发送的控制命令格式；\n[0034] 图6 是实施例1所获得的实时监测数据图；\n[0035] 图7 为实施例2中某水电站闸门的传感器布点局部图，其中，1~6分别表示1~6号下位机对应的传感器布点；\n[0036] 图8 是实施例2所获得的实时监测数据图。\n具体实施方式\n[0037] 参见图1，本发明的基于无线传感网络的多变量分布式在线监测系统，包括上位机和下位机。下位机包括射频传输模块、中央控制模块、数据采集模块和电源管理模块，数据采集模块、中央控制模块、射频传输模块依次相连，电源管理模块对数据采集模块、中央控制模块、射频传输模块提供电压并进行电压管理。\n[0038] 中央控制模块用来控制数据采集模块进行数据采集并存储采集数据，包括处理器、外围电路和存储模块，外围电路和存储模块均与处理器相连。数据采集模块和中央控制模块之间设置有AD转换模块，数据采集模块的模拟信号经AD转换模块转换成数字信号后输入中央控制模块。本具体实施中，处理器采用超低功耗的16位单片机MSP430；存储模块为SD存储卡；外围电路包括射频模块接口电路、在线调试接口电路、控制信号接口电路、复位电路等。本具体实施中在线调试接口电路为JTAG接口电路，控制信号接口电路为SD卡存储电路。\n[0039] 为了提高AD转换模块长期工作的可靠性、温漂性，降低噪音，更好地匹配输入信号电压，本具体实施中采用具有吸电流和原电流能力的超低噪声电压基准源ADR444芯片作为外部基准源。\n[0040] 主控芯片MSP430中包含两类时钟系统，一类是基本时钟系统和锁频环时钟系统（FLL 和FLL+），另一类是DCO数字振荡器时钟系统。具体可使用一个晶体振荡器，也可使用两个晶体振荡器。时钟系统产生主控芯片MSP430和各功能模块所需的时钟，并且产生的时钟可根据指令打开和关闭，从而实现对总功耗的控制。本系统基于DCO数字振荡器时钟系统设有16Mhz和32.768Khz两种晶振电路。\n[0041] 主控芯片MSP430通过SPI接口单元接收来自经模数转换和高速光耦隔离的采集信号，通过其UART接口单元将接收的采集信号传送给射频传输模块中的无线数传模块，同时将采集数据写入经压敏电阻保护的SD存储卡中。主控芯片通过高速光电耦合隔离将功能切换控制信号传输给数据采集模块中的四通道单刀双掷开关，控制四通道单刀双掷开关中各通道的开和闭；通过JTAG接口完成下位机系统的在线编程、调试与下载等。此外，主控芯片还负责对上位机发送来的命令进行响应，完成对整个下位机的控制。\n[0042] 数据采集模块包括分布于各采集点的不同类型的传感器节点、多通道信号传输单元和信号调理电路。传感器节点包括应变式传感器节点和/或环境传感器节点，应变式传感器节点可用来采集工程结构的风振响应数据，例如振动速度、风振加速度、应力和应变等参数。环境传感器节点可用来采集温度、风速等参数。本具体实施中的传感器节点包括加速度传感器和电阻应变式传感器两类，传感器节点由主控芯片驱动控制。\n[0043] 信号调理电路用来对传感器节点采集的信号进行信号过滤和信号放大。多通道信号传输单元根据实际采用的传感器节点的类型可为一定数量的四通道单刀双掷开关，主控芯片MSP430可控制四通道单刀双掷开关中各通道的导通或关闭。本具体实施中，为实现加速度传感器和电阻应变式传感器两种采集信号的切换，采用ADG788BCPZ四通道单刀双掷开关器件进行信号切换，切换的控制信号经过可控制的光电耦合器TLP521-4由前级主控芯片MSP430光电隔离变送过来。\n[0044] 射频传输模块用实现上、下位机的通信，由相互连接的无线数传模块和天线模块组成。本具体实施中，为保障射频传送模块能够适应较为恶劣的自然环境的同时具有较大的数据传送距离，无线数传模块采用基于ZigBee通信协议的大功率高集成的RFTR5无线数传模块，输出功率为500mW，该模块提供了多频段多信道以及网络ID来降低传输过程中的干扰以提高传输性能，并可通过上位机修改设置串口以及相关参数；天线模块为SAM直头天线。射频传送模块通过网内节点地址号进行辨识，实现网内的数据通信，通过网络地址号进行网对网间设备的辨识，实现网与网的通信功能。\n[0045] 电源管理模块用来提供并分配电压，包括稳压模块和分压模块，稳压模块包括直流电压供电模块和降压型开关稳压电源控制器，直流电压供电模块用来提供隔离工作电压，降压型开关稳压电源控制器用来提供数字工作电压。本具体实施中，所采用的直流电压供电模块为PWB2405MD和PWB2412MD，分别用来为系统提供5V和12V的隔离工作电压，所采用的降压型开关稳压电源控制器型号为LM2576，用来为系统提供5V的数字电压。分压模块为低漏失电压调整器件，根据各电路和电子器件所需电压调整稳压模块输出电压已获得所需电压值，本具体实施中，所采用的低漏失电压调整器件型号为AMS1117。电源管理模块中，稳压模块和分压模块协同实现了宽范围的直流电压供电。电源管理模块功能框图如图2所示。\n[0046] 上位机包括无线数传模块和PC机，无线数传模块和PC机通过TTL转接板连接。PC机通过无线数传模块对下位机发送操作命令、接收反馈信息，从而可实时处理返回数据。\n[0047] 本具体实施中，本系统以19200bps的速度进行上下位机间的数据传送。采集到的信号经过模数转换后，经过高速光电耦合器隔离后通过SPI通信接口进入主控芯片MSP430内，进入主控芯片的信号通过其UART功能模块与射频传送模块进行数据传送，将采集到的信号传送到上位机。同时海量数据经过压敏电阻防护后存储于SD存储卡中。\n[0048] 为了提高本系统在较强电磁干扰及振动较强的环境下能够可靠地长时间工作，本发明系统采用了如下可提升可靠性的方案：\n[0049] 1) 电源管理模块中还包括MOSFET（金属氧化物半导体场效应管），主控芯片通过控制MOSFET实现对隔离电源供电的控制，从而控制后端，同时实现核心电路和外围电路的隔离，本具体实施中可靠隔离安全电压为2500V。\n[0050] 2) 本系统中与外围电路相连的核心电路，其与外围电路间均采用光耦隔离。核心电路包括与主控芯片直接相连接的电路、控制信号传输的电路和传输采集信号的电路。在低速信号中采用可控制的光电耦合器件TLP521隔离核心电路与外围电路，在高速信号中采用高速光电耦合器6N137隔离核心电路与外围电路，传感器模拟信号、AD转换电路与数字电路的信号类型均采用6N137。核心电路和外围电路间设置光耦隔离，可大幅度提高系统的信噪比。电路图如图3所示。\n[0051] 3) 本系统中所有外设接口及重要电平、芯片引脚均采用防护电路。传感器接口采用TVS(瞬态抑制二极管)、ESD（静电释放）对后级电路进行保护；处理器支持在线编程调试的JTAG接口，采用压敏电阻和ESD进行防护；PWB2405MD和PWB2412MD直流电压供电模块采用最大负载电流为4A的可重置保险丝进行保护；降压型开关稳压电源控制器的输入端通过旁路电路来抑制输入端可能出现的较大的瞬态电压，在输出端仅靠续流二极管，为断路时的电感电流提供回路；四通道单刀双掷开关ADG788BCPZ、模数转换芯片AD7689BZ等芯片均有ESD(静电释放)防护电路和瞬态电压抑制电路。AD采样采取八通道全隔离方案。\n[0052] 本具体实施中，系统下位机采用锂电池供电，供电电压为9-16V。主控芯片MSP430的电源电压1.8-3.6V，数据采集模块的传感器和后续扩展的应变电桥工作电压范围分别是\n2.2-3.6V和5-15V。因此为保证系统的正常稳定运行，电源管理模块是必不可少的。本系统采用具有宽范围输入电压的PWB2405MD、PWB2412MD和LM2576为系统分别提供稳定的5V和\n12V的隔离工作电压以及5V的数字工作电压。\n[0053] PWB2405MD提供的5V隔离工作电压通过低漏失电压调整器AMS1117为传感器等提供隔离的3.3V数字电压，通过IND10*10（电感器件）等为模数转换芯片AD7689BZ等提供经隔离的5V模拟电压。降压型开关稳压电源控制器LM2576提供的5V数字电压通过低漏失电压调整器AMS1117等为主控芯片和光耦器件等提供3.3V的模拟电压。PWD2412MD为应变电桥电路提供12V的隔离电压。\n[0054] 电源管理模块采用可调电阻和固定电阻分压对电池电压进行监测，以实现灵活的临界报警电压设置，此外，电压监测保护不直接采用断电处理，而是系统自动进入低功耗运行模式，并且通过系统下位机的无线数传模块定时发出电压过低报警，同时系统下位机电路板上安装有红色报警灯。\n[0055] 本具体实施中的系统采用八通道隔离采样，传感器节点采集的信号通过DB25军工接头进入下位机的主控芯片，采集信号经过TVS瞬变电压防护电路和ESD静电防护电路后再进入信号调理电路。其中经由DB1接口输入的电阻应变式传感器采集到的数据经直流电桥转为电信号后先经过滤波电路，再通过带精密电压基准的仪用放大器INA125后再进入后续电路。采集信号经过集成运放AD8608ARZ进行信号跟随和增益控制后再通过限压型保护器件进行信号防护。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级模数转换电路的保护。本系统采用8通道16位芯片AD7689BCPZ对采集信号进行模数转换。同时，为提高信噪比，抑制系统中噪声对模拟信号和AD转换模块的干扰，采用高速光电耦合器6N137将模拟电路及AD转换模块和数字电路进行光耦隔离 。此外，本系统采用两个四路、低失调、低噪声、极低的输入偏置电流和高速度特性相结合的放大器AD8608作为信号调理电路的主要器件。\n[0056] 本发明中，下位机系统软件开发是基于IAR Embedded Workbench 开发平台和Z-stack协议栈实现的，编程语言采用C语言。上位机采用MSComm控件（串行通讯控件）通过串行端口传输和接收数据。\n[0057] 基于本发明的在线检测系统，本发明还提出了与其对应的监控方法，具体为：\n[0058] 该方法基于通讯协议，首先由上位机发出设备搜寻指令，让下位机将带有地址标记码的数据传回来，同时进行校验，以保证数据传输的正确性。各下位机编有不同的地址码，当上位机以广播命令的形式向所有的下位机发送同一个命令时，所有的下位机都会在接收到指令后回传带有地址标记的反馈信息，并执行接收到的指令。图4为本发明监控方法的流程图。\n[0059] 上位机向下位机发送的控制命令见图5所示的六字节，包括起始标志位、设备ID、指令代码、数据、和校验位和终止标志位，起始标志位和终止标志位用来标记控制命令的起始和终止，起始标志位为六字节命令的第一个字节，设定其值为68；设备ID为六字节命令的第二个字节，用来指定对应的下位机编号；指令代码为六字节命令的第三个字节，用来表示命令的类型，如设置采样频率，设置采集时间等；数据位为六字节命令的第四个字节，用来表示对应操作类型的数据，如设置采样频率为1KHz、设置采样时间为1小时等；和校验位为六字节命令的第五个字节，其值为第二、三、四个字节值之和，并略去溢出值，用来保障命令的正确性；终止标志位为六字节命令的第六个字节，设定其值为16。当上位机通过发送广播命令形式对所有下位机进行同步控制时，即将设备ID设置为00；同时上位机也可以通过相应设备ID号的选择实现对某一台下位机进行单独控制。下位机接收到上位机发送来的操作命令后进行响应，同时自动向上位机发送反馈信息，为避免通信冲突，下位机依据自身设备ID号进行反馈信息的延时发送。\n[0060] 对下位机依据自身设备ID号进行反馈信息的延时发送的一种具体实施为：设N个下位机，其对应的设备ID分别为1、2、…、i、…、N，设定延时s，设备ID为1的下位机在t时刻发送反馈信息，则设备ID为2、…、i、…、N的下位机发送反馈信息的时刻分别为t+s、…、t+（i-\n1）s、…、t+（N-1）s。这样就可避免通信冲突。\n[0061] 下位机将采集的多变量信息通过无线数传模块传输至上位机，根据下位机的设备ID，将相同下位机的同一通道的采集信号存储于PC机的同一数据库中，并通过与数据分析软件的无缝连接，生成被监测线路的实况信息图。被监测线路的多变量数据存储于系统下位机的SD存储卡中。\n[0062] 本发明方法可应用于工程结构，例如输电线路、水电站闸门。使用时，将传感器节点分布于工程结构上。需要进行采样时，开启系统，并由上位机对下位机进行校验，校验成功后，上位机向下位机发送采集指令，下位机根据指令控制多变量信息采集单元（即多种不同类型的传感器节点）进行数据采集。所采集的多变量信息实时存储与中央控制模块的存储模块中，并根据上位机的指令选择返回或不返回上位机。上位机可通过控制多通道信号传输单元的通道的导通和关闭来选择接受某一类或几类的采集信号。\n[0063] 下面将结合应用实施例来说明本发明的有益效果。\n[0064] 实施例1\n[0065] 本发明系统于2012年7~11月应用于广东省某输电线路，采用太阳电池板和锂电池供电，采用加速度传感器节点定期将采集的输电线路振动数据回传到地面基站。以该输电线路的无阻尼器的49＃杆塔为例，获取2012年17日10：00~18：00时湛江风振时域历程（顺线方向），见图6。该图即可验证本发明系统在风振环境下工作的可靠性及数据采集的有效性。\n本发明可为后续针对输电线路风振无线监测、风致倒塔等灾害的预警机制提供有效的技术手段。\n[0066] 实施例2\n[0067] 本发明系统于2012年9~12月先后应用于国内某几个水电站的闸门监测，传感器节点分布见图7所示，图中1~6分别表示1~6号下位机对应的传感器布点。采用加速度传感器监测闸门升起和降落过程，并将监测到的数据实时回传到地面基站，生成闸门起降过程的实时信息图，第3号下位机的第4测点的振动时程曲线见图8所示，横坐标为北京时间。验证了本发明方法在复杂电磁环境和高湿度、强振动环境下工作的可靠性及采集数据的有效性。\n本发明可保留闸门起降全过程的时域和频域信息，为闸门起降调度及灾害预警提供了有效的参考依据。