专利名称：一种市政管网无线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线监测系统节能应用技术方法；第四，本发明涉及无线监测系统在市政管网领域的实际应用，具体为监测位置选择的优化方法。
背景技术：
目前，国际上已有多种针对市政管网运行状况进行监控的监测方法，包括有基于管内压力、流量、温度和管壁完好程度的管内智能爬行机法；基于泄漏产生的物理现象检测的声波、负压波、应力波检测法、利用热红外成像、气体成像、探地雷达的地面间接检测法； 基于流质突变时物理特性变化的电缆光纤检测法；基于SCADA系统管网状态参数的神经网络分析统计法等。现有的监测方法均属于事后补救的技术，目前的管网管理侧重于泄漏、爆管等事故发生后的补救，稍有疏忽就会发生恶性事故。特别是基于现有单元技术的市政管网检测技术精度有限，灵敏度不够，误报率高，定位复杂，时效性差，周期长，数据量小，评估能力有限，费用大，能耗高，效率低。从而浪费了大量人力、物力，严重阻碍了市政管网的发展。采用基于神经网络分析统计法的SCADA系统对市政管网进行联网管理和维护可以较好的解决监测数量范围的问题。目前，应用比较广泛的SCADA上位机系统有=WondWare 的hl^ouch、西门子公司的WinCC、澳大利亚的CiTech、美国hterlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等。但是这些系统在完成以下功能时具有明显的缺陷1)还都仅限于企业级以下的应用；2)不具备GIS功能；3)网络通讯不透明，不适合开发基于局域或专线网的网状层次结构监控管理系统；4)数据采集速度有待进一步提高；5)系统事故追忆能力差；6)缺乏高效能的控制任务调度算法的支持；针对市政管网领域的需要，这些系统还有另外的明显弱点1)本地化差虽然部分系统已经汉化，但中国市场管网行业规范，他们很难满足；2)价格昂贵这些系统，动则上万美元，很难为市政管网部门所接受。随着无线网络技术的发展，目前，已经有多种无线自组织网络通信协议，包括物理层的 ZigBee、Bluetooth、WLAN、UffB 等，MAC 层的 S-MAC、T-MAC, MD、SIFT、DEANA, SMACS/ EAR、CDMA、TDM-FDM、DE-MAC、TRAMA 等，路由协议中的 Flooding、Gossiping、SPIN、Directed Diffusion、Rumor、GPSR、TBF, LEACH、PEGASIS、TEEN、TTDD, SAR 等。以上协议都针对无线通信协议中存在的能耗、通信延时、路由机制、拓扑控制、自组织、可扩展性等方面提出了部分改进方案，但大多数只局限于理论研究领域，并无实际应用。当前使用的无线传感器网络协议仍然存在能耗过大、通信延时大、节点规模小、通信效率低等问题，并且没有一种协议很好地解决能耗与通信的矛盾，规模与效率的矛盾。当前我国市政管网监测领域，普遍存在监测设备数量少的特点，监测位置的只设在极少数的重点位置，因此监测数据无法满足对全网状态的系统分析要求。如果此无线监测系统大量应用，势必存在监测位置选择问题。综上，目前管网监测领域还没有一种监测系统可以实现透明网络通信，大量监测节点，低成本，低功耗，高速高效的问题。
发明内容
本发明要解决的第一个问题是提供一种适合于市政管网应用环境的无线监测系统，其目的是在市政管网设备上实现实时无线远程监测。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是在管网适当的管道处安装传感器， 传感器通过数据线与处理器模块相连，处理器模块通过数据线和控制线控制无线收发模块，无线收发模块通过天线与其它节点进行通信，各监测节点同时具有接收和转发的功能， 最终通过无线通信方法，所有监测节点数据汇聚到Sink节点处，Sink节点通过串口或其它公网方式与上位机进行通信，上位机对各节点数据进行分析和处理，并实时显示于GIS地图上。本发明所提供的这种无线监测系统，用于对被测管网进行压力、流量等运行参数进行监测，所述的无线监测系统设有监测节点、Sink节点、上位机。所述的监测节点固定安装在监测区域内被测管道处，所述的监测节点设有传感器模块、处理器模块、无线收发模块，所述的传感器固定安装在被测管道上；所述的处理器模块、无线收发模块封装在密封盒内，安装在市政设施上；所述的无线收发模块设有天线，天线从封装盒内弓丨出固定在有一定高度的基架上。所述的监测节点在安装时必须进行必要的参数设定，包括节点地址即节点 ID、网络重构周期、工作通信周期、通信初始信道等。所述的监测节点对监测的数据进行初步分析，对接收到的其它节点监测数据进行校核，确定该工作周期节点的工作状态，使监测节点具有一定的智能决策能力。所述的节点工作状态有初始化、休眠、数据接收、数据发送、建立自组织通信链路、新通信链路优化、传感监测等模式。所述的初始化是节点进行各功能模块的设置与驱动、节点参数设定过程；所述的休眠模式是节点为了节能而设置的极低功耗的工作模式；所述的数据接收模式包括同步信号的接收、采集数据的接收、查询数据的接收、新链路信息接收等过程；所述的数据发送模式包括同步信号的发送、采集数据的发送、查询数据的转发、查询回复信息的发送、新链路的信息发送等过程；所述的建立自组织通信链路模式是根据接收到的同步信息确定通信链路路由关系的计算过程；所述的新通信链路优化模式是根据通信路由关系和接收到的新链路信息，计算新链路信息并发送新链路信息的工作过程；所述的传感监测模式是指包括外接各传感器数据采集、电源电量监测、通信质量侦测的过程。所述的监测节点大量布置在监测区域内，组成无线自组织监测网络。所述无线监测系统的自组织监测网络为以Sink节点为中心，以整个监测区域为覆盖范围，以无线收发模块通信距离为宽度形成的多级多跳网络。所述的无线自组织监测网络具有两个工作周期网络重构周期和工作通信周期。所述的网络重构周期是无线自组织网络重新建立一次网络通信链路并进入工作通信周期循环的大循环时间，所述网络重构周期包括很多个工作通信周期，所述的工作通信周期是无线自组织网络进行暂时稳定通信的循环时间，所述的工作通信周期内各节点按确定的通信链路进行通信。如果所述的通信链路突然中断，节点在下一工作通信周期采用备用通信链路进行通信，或请求新的通信链路。所述的监测区域内不同监测节点之间通过无线自组织网络进行通信，最终所有数据汇聚于Sink节点处。所述的无线监测系统Sink节点安装于监测区域内任意位置，所述的Sink节点设有传感器模块、处理器模块、无线收发模块、与上位机通信模块，所述的传感器模块、处理器模块、无线收发模块与各监测节点相同，所述的与上位机通信模块串口通信模块。所述的Sink节点具有外接公网通信模块等接口，Sink节点可以实现与上位机之间通过公网或其它方式通信。所述的Sink节点负责整个无线监测网络的建立和运行、所有监测数据的校核、与上位机的通信等功能。所述的Sink节点除了与监测节点具有相同的工作模式外，还具有与上位机通信工作模式，Sink节点在初始化模式下增加当前时间的校对和与上位机通信周期设定。所述的上位机通信工作模式，是按RS232串口或其它通信方式进行的数据收发过程。所述的上位机为普通PC机，上位机具有与Sink通信、数据包解析、数据库操作， GIS系统平台、监测数据显示、监测数据分析、联动系统平台等功能。所述的与Sink通信将所有监测数据读入上位机；所述的数据包解析包括监测时间、节点地址、传感器类型、采集数据等数据，并对数据进行校核；所述的数据库操作包括监测数据的存储和读取；所述的 GIS系统平台为包括GIS地图、监测区域管网、监测节点位置和监测数据动态显示的信息管理系统；所述的监测数据显示包括实时监测数据的动态显示和历史监测数据的对比变化曲线显示；所述的监测数据分析采用遗传算法，利用神经网络分析方法确定监测节点区域管网运行状态；所述的联动系统平台为管网故障的联动系统应急预案信息管理系统。本发明所要解决的第二个问题是无线自组织网络通信协议的优化，无线通信链路的快速建立、修复，保证监测节点间无线自组织网络通信的可靠实现，其目的是优化节点间的通信联接质量和效率。本发明所采用的无线自组织通信MAC协议为基于时分多址接入(TDMA)的通信协议，所述的无线自组织网络通信协议优化方案为1节点时间的精确同步，保证时分多址(TDMA)的网络通信可靠性；2通信链路失效预策，保证网络提前建立更可靠的通信链路，减少网络失效造成的数据丢失；3干扰失效模式下的变频机制，保证网络干扰失效下的通信能力；4节点的时分优化，减小的网络通信时延，提高网络通信效率；5信道空间优化共享，增加网络空间利用率，提高网络通信效率；本发明所涉及的优化方案包括节点时间精确同步、链路失效预策、干扰变频、时分优化、信道空间优化共享等。所述的节点时间精确同步，以Sink时间为基准，所有从节点与 Sink节点实现时间一致，时钟频率一致的实现过程；所述的链路失效预策，根据链路中节点的剩余电量与可靠通信的参考电量值作对比，判断节点可靠通信的能力，确定下一周期此节点链路；所述的干扰变频，在节点通信由于频率干扰失效时，节点通过变频实现临时通信机制；所述的节点时分优化，是节点在自组织网络通信链路建立时，根据节点从节点的数量和原始地址信息，重新设定节点通信地址，使所有从节点按新的ID进行集中通信；所述的信道空间优化共享，根据无线通信节点只能与通信距离内的邻居节点进行通信的特点， 通过邻居工作时间优化节点工作时间，实现互不冲突节点间共享信道空间，可以同时进行
ififn。所述的节点时间精确同步，首先通过利用Sink节点与上位机之间的通信，保证 Sink节点的时间为精确实时时间；然后通过利用Sink节点广播时间同步帧，同步一级从节点时间；Sink通过一级从节点回复时间同步帧，计算Sink节点与一级从节点与Sink节点时钟晶振频率偏差，从而得出从节点修正时钟频率，表达式如下f； = tSrtr"tS+StS"tS:Pt"tSrP X &公式 1
tnrp 十 tnsd 十[nsp式中 ——从节点时钟修正频率。tsrr——Sink接收一级从节点回复时Sink节点时间。tsss——Sink发送时间同步帧时间。tssp——Sink节点发送过程的程序耗时。tsrp——Sink节点接收过程的程序耗时。t_——一级从节点接收过程程序耗时。tnsd——一级从节点发送时延。tnsp——一级从节点发送过程程序耗时。fs——Sink节点时钟频率。接着一级从节点用同样的算法同步二级从节点，依次类推，直到所有的节点都进行了精确的时间同步。所述的链路失效预策，首先利用AD转换电路将节点电压模拟量转化为数值Nadc ； 然后根据转换值计算电源电压，表达式为Vin =+ 公式 2
4096式中VK+、VK_——参考电压正极、负极。Vin——电源电压值。Nadc——电压转换寄存器值。通过电源电压值与保证可靠通信的参考电压值作比较当电源电压大于参考通信压时，节点发送链路良好信号，下一周期使用当前链路；当电源电压小于或等于参考通信压时，节点发送链路危险信号，下一周期启用备用链路，若当前链路已经是备用链路，则节点发送链路重构请求。所述的干扰变频策略，当通信链路中某两个节点需要进行通信时，首先侦听当前无线信道状态。当信道为空时，两节点直接进入通信模式；当信道被占时，两节点改变无线收发频率，转用新的无线信道，同样先侦听此新无线信道的状态；依次类推，直到找到空信道进行通信。所述的节点时分优化，首先节点在初入网时，按原始地址ID进行同步通信；然后节点根据接收到的子级从节点回复信号，确定从节点数量和从节点原始地址；接着节点按从节点原始地址给从节点重新分配通信地址；最后，在接下来的工作周期中，节点与从节点间按新分配地址进行通信工作。
所述的信道空间优化共享，首先，节点在同步时期确定自己的层级以及邻居节点的地址域；然后，在时分优化阶段根据邻居节点的工作时间(包括发送时间和接收时间)， 确定出节点工作的无冲突时间域；最后，根据节点在无冲突时间域与节点时分优化，确定节点无冲突工作时间。本发明所要解决的第三个问题是系统应用的能耗优化，其目的是让系统能耗减小，保证系统更长时间的工作。所述的节点能耗优化方案为软硬件设计优化，包括硬件选型、电源保护电路、电路板优化设计、休眠机制、减小占空比、调节发射功率。所述的硬件选型，为选型低功耗元器件；所述的休眠机制，为节点非工作时间进入休眠状态；所述的减小占空比，为简化节点工作内容、缩短工作时间、延长通信周期，预留更多的空闲时间；所述的调节点发射功率，为节点根据接收信号强度，发送减小发射功率建议。所述的硬件选型，主要包括选择低功耗传感器、低功耗微处理器、低功耗无线收发芯片、尽量少的外围电路、高增益的天线、低功耗的其它外围芯片等。所述的低功耗传感器， 选型为定制的ΒΡ-801Κ(1/2)，电源输入为9VDC，输出信号为0-5V。所述的低功耗微处理器， 选型为MSP430F149芯片，电源为3. 3VDC，正常工作电流为1. 5mA，本芯片具有休眠的功能， 休眠模式下电流只有luA，另外，本芯片集成有AD电路，减少了电路板外围无器件的数量。 所述的无线收发芯片，选型为CCllOO芯片，电源为3. 3VDC，平均发送电流为15. 6mA，休眠模块下900nA，灵敏度为-IlOdB,且具有发送功率可调、发送频率可调。所述的尽量少的外围电路，首先设计最小节点，包含微处理器模块、无线收发模块、电源模块、电源管理模块、并为其它模块预留接口 ；然后，将其它节点外围电路设计为可拔插模块，包括数码显示模块， 按键模块、串口通信模块等。所述的高增益天线，直接选型5dB增益的室外天线。所述的低功耗其它外围芯片，包括电源芯片、电容、电感、电阻、三极管、晶振等。所述的电源保护电路，为电源模块并联一较大电容，实现节点在工作与休眠模式转换时电容进行充放电，减小突然大功率放电对电源的损害。所述的电路板优化设计，首先，设计电路板布局中，1尽量考虑减小元器件之间的干扰，重要元器件分散布局，其余面积敷铜并接地；2外围电路模块单独作板，与中心电路板进行可拔插连接；然后，根据电路走线产生的阻抗、感抗、电容、确定元器件参数；接着， 敷铜接地中删除锐角，或在锐角处打孔；最后，无线收发模块，外加金属罩，减小干扰。所述的休眠机制，首先，利用微处理器和无线收发模块的休眠功能，使节点在非工作时间进入休眠状态；然后，利用电源管理模块的开关功能，分别针对外围模块进行开关控制，包括传感器模块、数码显示模块等高功耗模块，使这些模块在非工作时间，关闭电源供 H1^ ο所述的减小占空比，包括简化节点工作内容、缩短节点工作时间、延长节点通信周期。所述的简化节点工作内容，包括初始化简化、同步回复与同步发送的合并、新ID算法简化、路由算法简化、发送数据包的简化等。所述的初始化简化，为在连模块初始化，非在连模块程序进行跳转；所述的同步回复与同步发送合并，为被同步后的回复发送与要同步下一级节点的同步发送过程合并为一个发送过程；所述的新ID算法简化，根据从节点地址存储位置，依次赋值新ID ；所述的路由算法简化，为节点只记录自己的上下级节点信息、自己上下通信链路关系；所述的发送数据包的简化，为节点将占位数比较少的信息合并，数据包中相似信息的合并，比如出现连续的节点信息，将中间部分的节点地址省略，相同的采集时间，将后面的采集时间省略。所述的缩短节点工作时间，包括时分多址(TDMA)节点时分优化减小节点工作等待时间，简化节点工作内容减少节点工作时间。所述的延长节点通信周期，是指在系统稳定状态下，一方面延长通信链路的使用寿命，减少重新链路通信过程 ’另一方面传感器采集数据在无变化或变化数值在阀值以内的，不进行数据发送。所述的调节发射功率，首先，节点接收到下级节点的同步回复时，记录下级节点的信号强度；然后根据通信链路质量可靠阀值，向从节点发送功率可调值；最后从节点接收到功率可调值后，调整从节点在本周期回复时的发射功率。本发明所要解决的第四个问题是提供上述无线监测系统的监测位置优化选择方法，其目的是找到更有效监测管网状态的节点布设位置。所述的节点位置优化选择技术方案为1根据实际监测要求，将管网划分为若干小区域；2在监测小区域内找到所有的可监测位置，同一管段处设定为一个监测位置；3在所有监测位置布置节点，进行实时监测；4改变区域内管网的运行状态，得出各节点监测数据的变化；5根据各节点监测数据的变化量算出各节点的影响系数，得出影响系数矩阵；6对影响系数矩阵进行标准化，计算相似系数，得出模糊相似矩阵；7根据模糊相似矩阵，计算各节点欧氏距离，得出各节点平均欧氏距离；8根据各节点平均欧氏距离，得出最小平均欧氏距离节点，即为本区域敏感点；9根据以上方法找到各区域敏感点，该敏感点即为本区域内监测节点的最佳布设位置。本发明所提供的节点位置优化选择方法中涉及几种工程计算，包括各节点的影响系数计算、影响系数矩阵标准化计算、欧氏距离计算、最小欧氏距离计算等。所述的最小欧氏距离即为寻找敏感节点指标，所述的敏感节点即为监测节点的最佳布设位置。所述的影响系数计算，是在某一基准工况下进行管网平差，得出该工况下各节点水压Hi，再加大k的节点流量(其他节点流量不变)重新进行管网平差，得出各节点水压 Hi’。其影响系数如下Xik = ^"(沾=1,2,...,11)公式3式中Hi、Hk——基准工况下i，k节点水压。Hi，、Hk，——k节点流量改变后i、k节点水压。所述的影响系数矩阵标准化计算，首先将影响系数矩阵[X]中各列元素的标准差进行标准化，对k列元素的表达式如下Xlk = ii^ (i二 1,2,3,…,η)公式 4式中——影响系数矩阵[X]中第k列元素的平均值，巧=JxiliXikSk——影响系数矩阵[X]中列元素的标准差，、=J^Eiii^ik-^f
最后得到矩阵[X’]nXn ；然后将[X’]nXn中各列元素的极值进行标准化，对k列元素表达式如下
权利要求
1.一种市政管网无线监测系统，用于对被测管道进行实时状态监测，所述的无线监测系统包括硬件设备设计、通信协议优化、节能应用优化、监测位置优化；所述的硬件设计包括监测节点、Sink节点、上位机；所述的通信协议优化包括节点时间精确同步、通信链路失效预策、干扰变频、时分优化、信道空间优化共享等；所述的节能应用优化包括低功耗硬件选型、电源保护电路设计、电路板设计、休眠机制、减小占空比、调节发射功率等。
2.如权利要求1所述的监测节点与Sink节点，其特征在于所述的监测节点中设有传感器1、传感器信号线2、监测节点中心电路3、外围模块接口和天线4 ；所述的外围模块接口，可接显示模块、键盘模块、Sink通信模块等；所述的监测节点与Sink节点可以互换使用；所述的互换使用方法为Sink节点外围接口接入与上位机通信模块，Sink节点无需安装传感器模块，Sink节点无需安装在管道处；节点具有两种工作模式，其实现方法为外围模块未接入显示模块，监测节点进入无线远程监测模式；外围模块接口接入显示模块时，可实现现场实时监测模式；监测节点也可在外围显示模块接入时，实现两种模式同时工作。
3.如权利要求1所述的无线监测系统通信协议优化方法，其特征在于以Sink节点时间为基准，同步各监测节点时间；以Sink节点晶振频率为基准，修正各监测节点时钟频率； 通过信号采集电路采集电源电压，预策链路可靠性；根据监测节点的所有从节点地址、数量，重新分配从节点通信ID，并按新ID进行时分多址通信；根据邻居节点的通信工作时间域，确定监测节点的无干扰时间域，最后在无干扰时间域内，进行通信时间优化。
4.如权利要求1所述的无线监测系统节能应用优化方法，其特征在于微处理器型号为MSP430F149，无线收发模块型号为CCl 100，电源模块为LMl 117-3. 3和LMl 117-5 ；电源模块并联一较大电容；将核心电路与外围电路分离，做成不同的电路板模块，它们之间通过拔插件联接；节点核心电路非工作时间进入休眠状态，并通过电源管理模块关闭外围电路供电；节点侦测从节点信号强度，并向从节点发送功率可调值；仅初始化在连模块，节点仅记录上下级间链路关系，合并简化数据包中相似信息，减小时分多址通信机制下信道为空时节点等待时间，取消稳定监测数据的发送。
5.如权利要求1所述的无线监测系统节点优化布设方法，其特征在于根据监测区域内节点数据变化，计算区域内节点影响系数；再对影响系数矩阵进行标准化，计算节点相似系数；然后根据模糊相似矩阵，计算各节点欧氏距离；最后根据各节点平均欧氏距离，得出最小欧氏距离点，即为敏感节点位置。
全文摘要
本发明公开了一种适用于市政管网应用领域的无线监测系统。它是由监测节点、Sink节点、上位机和相关的通信协议、应用软件等组成。本发明还公开了针对无线自组织通信协议、节能应用、监测位置选择等的优化方法。所述的无线自组织网络通信协议的优化方法，包括精确同步、失效预策、干扰变频、时分优化、信道空间优化共享等；所述的节能应用优化方法，包括低功耗硬件选型、电源保护电路设计、电路板优化设计、休眠优化机制、占空比优化、发射功率优化等；所述的点位置优化选择方法，具体是在一定监测区域内寻找最敏感点的方法。本发明利用以上各种优化方法，实现了市政管网监测的低成本、低功耗、安全、可靠、智能、高效、自动化。
文档编号H04W84/18GK102548029SQ20101057553
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者张利强, 杨前进, 田宝庆, 祁卓娅, 韩新民 申请人:中机生产力促进中心