專利名稱：一種市政管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用技術(shù)方法；第四，本發(fā)明涉及無線監(jiān)測系統(tǒng)在市政管網(wǎng)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，具體為監(jiān)測位置選擇的優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
目前，國際上已有多種針對(duì)市政管網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控的監(jiān)測方法，包括有基于管內(nèi)壓力、流量、溫度和管壁完好程度的管內(nèi)智能爬行機(jī)法；基于泄漏產(chǎn)生的物理現(xiàn)象檢測的聲波、負(fù)壓波、應(yīng)力波檢測法、利用熱紅外成像、氣體成像、探地雷達(dá)的地面間接檢測法； 基于流質(zhì)突變時(shí)物理特性變化的電纜光纖檢測法；基于SCADA系統(tǒng)管網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析統(tǒng)計(jì)法等?，F(xiàn)有的監(jiān)測方法均屬于事后補(bǔ)救的技術(shù)，目前的管網(wǎng)管理側(cè)重于泄漏、爆管等事故發(fā)生后的補(bǔ)救，稍有疏忽就會(huì)發(fā)生惡性事故。特別是基于現(xiàn)有單元技術(shù)的市政管網(wǎng)檢測技術(shù)精度有限，靈敏度不夠，誤報(bào)率高，定位復(fù)雜，時(shí)效性差，周期長，數(shù)據(jù)量小，評(píng)估能力有限，費(fèi)用大，能耗高，效率低。從而浪費(fèi)了大量人力、物力，嚴(yán)重阻礙了市政管網(wǎng)的發(fā)展。采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析統(tǒng)計(jì)法的SCADA系統(tǒng)對(duì)市政管網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理和維護(hù)可以較好的解決監(jiān)測數(shù)量范圍的問題。目前，應(yīng)用比較廣泛的SCADA上位機(jī)系統(tǒng)有=WondWare 的hl^ouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國hterlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等。但是這些系統(tǒng)在完成以下功能時(shí)具有明顯的缺陷1)還都僅限于企業(yè)級(jí)以下的應(yīng)用；2)不具備GIS功能；3)網(wǎng)絡(luò)通訊不透明，不適合開發(fā)基于局域或?qū)＞€網(wǎng)的網(wǎng)狀層次結(jié)構(gòu)監(jiān)控管理系統(tǒng)；4)數(shù)據(jù)采集速度有待進(jìn)一步提高；5)系統(tǒng)事故追憶能力差；6)缺乏高效能的控制任務(wù)調(diào)度算法的支持；針對(duì)市政管網(wǎng)領(lǐng)域的需要，這些系統(tǒng)還有另外的明顯弱點(diǎn)1)本地化差雖然部分系統(tǒng)已經(jīng)漢化，但中國市場管網(wǎng)行業(yè)規(guī)范，他們很難滿足；2)價(jià)格昂貴這些系統(tǒng)，動(dòng)則上萬美元，很難為市政管網(wǎng)部門所接受。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，目前，已經(jīng)有多種無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，包括物理層的 ZigBee、Bluetooth、WLAN、UffB 等，MAC 層的 S-MAC、T-MAC, MD、SIFT、DEANA, SMACS/ EAR、CDMA、TDM-FDM、DE-MAC、TRAMA 等，路由協(xié)議中的 Flooding、Gossiping、SPIN、Directed Diffusion、Rumor、GPSR、TBF, LEACH、PEGASIS、TEEN、TTDD, SAR 等。以上協(xié)議都針對(duì)無線通信協(xié)議中存在的能耗、通信延時(shí)、路由機(jī)制、拓?fù)淇刂?、自組織、可擴(kuò)展性等方面提出了部分改進(jìn)方案，但大多數(shù)只局限于理論研究領(lǐng)域，并無實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仍然存在能耗過大、通信延時(shí)大、節(jié)點(diǎn)規(guī)模小、通信效率低等問題，并且沒有一種協(xié)議很好地解決能耗與通信的矛盾，規(guī)模與效率的矛盾。當(dāng)前我國市政管網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域，普遍存在監(jiān)測設(shè)備數(shù)量少的特點(diǎn)，監(jiān)測位置的只設(shè)在極少數(shù)的重點(diǎn)位置，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)無法滿足對(duì)全網(wǎng)狀態(tài)的系統(tǒng)分析要求。如果此無線監(jiān)測系統(tǒng)大量應(yīng)用，勢必存在監(jiān)測位置選擇問題。綜上，目前管網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域還沒有一種監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)透明網(wǎng)絡(luò)通信，大量監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，低成本，低功耗，高速高效的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個(gè)問題是提供一種適合于市政管網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的無線監(jiān)測系統(tǒng)，其目的是在市政管網(wǎng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無線遠(yuǎn)程監(jiān)測。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是在管網(wǎng)適當(dāng)?shù)墓艿捞幇惭b傳感器， 傳感器通過數(shù)據(jù)線與處理器模塊相連，處理器模塊通過數(shù)據(jù)線和控制線控制無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊通過天線與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有接收和轉(zhuǎn)發(fā)的功能， 最終通過無線通信方法，所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚到Sink節(jié)點(diǎn)處，Sink節(jié)點(diǎn)通過串口或其它公網(wǎng)方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)對(duì)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并實(shí)時(shí)顯示于GIS地圖上。本發(fā)明所提供的這種無線監(jiān)測系統(tǒng)，用于對(duì)被測管網(wǎng)進(jìn)行壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，所述的無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)。所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)固定安裝在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)被測管道處，所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)有傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊，所述的傳感器固定安裝在被測管道上；所述的處理器模塊、無線收發(fā)模塊封裝在密封盒內(nèi)，安裝在市政設(shè)施上；所述的無線收發(fā)模塊設(shè)有天線，天線從封裝盒內(nèi)弓丨出固定在有一定高度的基架上。所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在安裝時(shí)必須進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)定，包括節(jié)點(diǎn)地址即節(jié)點(diǎn) ID、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)周期、工作通信周期、通信初始信道等。所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，對(duì)接收到的其它節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，確定該工作周期節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，使監(jiān)測節(jié)點(diǎn)具有一定的智能決策能力。所述的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)有初始化、休眠、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、建立自組織通信鏈路、新通信鏈路優(yōu)化、傳感監(jiān)測等模式。所述的初始化是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行各功能模塊的設(shè)置與驅(qū)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)定過程；所述的休眠模式是節(jié)點(diǎn)為了節(jié)能而設(shè)置的極低功耗的工作模式；所述的數(shù)據(jù)接收模式包括同步信號(hào)的接收、采集數(shù)據(jù)的接收、查詢數(shù)據(jù)的接收、新鏈路信息接收等過程；所述的數(shù)據(jù)發(fā)送模式包括同步信號(hào)的發(fā)送、采集數(shù)據(jù)的發(fā)送、查詢數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、查詢回復(fù)信息的發(fā)送、新鏈路的信息發(fā)送等過程；所述的建立自組織通信鏈路模式是根據(jù)接收到的同步信息確定通信鏈路路由關(guān)系的計(jì)算過程；所述的新通信鏈路優(yōu)化模式是根據(jù)通信路由關(guān)系和接收到的新鏈路信息，計(jì)算新鏈路信息并發(fā)送新鏈路信息的工作過程；所述的傳感監(jiān)測模式是指包括外接各傳感器數(shù)據(jù)采集、電源電量監(jiān)測、通信質(zhì)量偵測的過程。所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)大量布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，組成無線自組織監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。所述無線監(jiān)測系統(tǒng)的自組織監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為以Sink節(jié)點(diǎn)為中心，以整個(gè)監(jiān)測區(qū)域?yàn)楦采w范圍，以無線收發(fā)模塊通信距離為寬度形成的多級(jí)多跳網(wǎng)絡(luò)。所述的無線自組織監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有兩個(gè)工作周期網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)周期和工作通信周期。所述的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)周期是無線自組織網(wǎng)絡(luò)重新建立一次網(wǎng)絡(luò)通信鏈路并進(jìn)入工作通信周期循環(huán)的大循環(huán)時(shí)間，所述網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)周期包括很多個(gè)工作通信周期，所述的工作通信周期是無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行暫時(shí)穩(wěn)定通信的循環(huán)時(shí)間，所述的工作通信周期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)按確定的通信鏈路進(jìn)行通信。如果所述的通信鏈路突然中斷，節(jié)點(diǎn)在下一工作通信周期采用備用通信鏈路進(jìn)行通信，或請(qǐng)求新的通信鏈路。所述的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，最終所有數(shù)據(jù)匯聚于Sink節(jié)點(diǎn)處。所述的無線監(jiān)測系統(tǒng)Sink節(jié)點(diǎn)安裝于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)任意位置，所述的Sink節(jié)點(diǎn)設(shè)有傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊、與上位機(jī)通信模塊，所述的傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊與各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)相同，所述的與上位機(jī)通信模塊串口通信模塊。所述的Sink節(jié)點(diǎn)具有外接公網(wǎng)通信模塊等接口，Sink節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間通過公網(wǎng)或其它方式通信。所述的Sink節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立和運(yùn)行、所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的校核、與上位機(jī)的通信等功能。所述的Sink節(jié)點(diǎn)除了與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)具有相同的工作模式外，還具有與上位機(jī)通信工作模式，Sink節(jié)點(diǎn)在初始化模式下增加當(dāng)前時(shí)間的校對(duì)和與上位機(jī)通信周期設(shè)定。所述的上位機(jī)通信工作模式，是按RS232串口或其它通信方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)收發(fā)過程。所述的上位機(jī)為普通PC機(jī)，上位機(jī)具有與Sink通信、數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)庫操作， GIS系統(tǒng)平臺(tái)、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)等功能。所述的與Sink通信將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)讀入上位機(jī)；所述的數(shù)據(jù)包解析包括監(jiān)測時(shí)間、節(jié)點(diǎn)地址、傳感器類型、采集數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核；所述的數(shù)據(jù)庫操作包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀?。凰龅?GIS系統(tǒng)平臺(tái)為包括GIS地圖、監(jiān)測區(qū)域管網(wǎng)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)位置和監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示的信息管理系統(tǒng)；所述的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示包括實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的對(duì)比變化曲線顯示；所述的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析采用遺傳算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法確定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)區(qū)域管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；所述的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)為管網(wǎng)故障的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案信息管理系統(tǒng)。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)問題是無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的優(yōu)化，無線通信鏈路的快速建立、修復(fù)，保證監(jiān)測節(jié)點(diǎn)間無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信的可靠實(shí)現(xiàn)，其目的是優(yōu)化節(jié)點(diǎn)間的通信聯(lián)接質(zhì)量和效率。本發(fā)明所采用的無線自組織通信MAC協(xié)議為基于時(shí)分多址接入(TDMA)的通信協(xié)議，所述的無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)化方案為1節(jié)點(diǎn)時(shí)間的精確同步，保證時(shí)分多址(TDMA)的網(wǎng)絡(luò)通信可靠性；2通信鏈路失效預(yù)策，保證網(wǎng)絡(luò)提前建立更可靠的通信鏈路，減少網(wǎng)絡(luò)失效造成的數(shù)據(jù)丟失；3干擾失效模式下的變頻機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)干擾失效下的通信能力；4節(jié)點(diǎn)的時(shí)分優(yōu)化，減小的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率；5信道空間優(yōu)化共享，增加網(wǎng)絡(luò)空間利用率，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率；本發(fā)明所涉及的優(yōu)化方案包括節(jié)點(diǎn)時(shí)間精確同步、鏈路失效預(yù)策、干擾變頻、時(shí)分優(yōu)化、信道空間優(yōu)化共享等。所述的節(jié)點(diǎn)時(shí)間精確同步，以Sink時(shí)間為基準(zhǔn)，所有從節(jié)點(diǎn)與 Sink節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間一致，時(shí)鐘頻率一致的實(shí)現(xiàn)過程；所述的鏈路失效預(yù)策，根據(jù)鏈路中節(jié)點(diǎn)的剩余電量與可靠通信的參考電量值作對(duì)比，判斷節(jié)點(diǎn)可靠通信的能力，確定下一周期此節(jié)點(diǎn)鏈路；所述的干擾變頻，在節(jié)點(diǎn)通信由于頻率干擾失效時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過變頻實(shí)現(xiàn)臨時(shí)通信機(jī)制；所述的節(jié)點(diǎn)時(shí)分優(yōu)化，是節(jié)點(diǎn)在自組織網(wǎng)絡(luò)通信鏈路建立時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和原始地址信息，重新設(shè)定節(jié)點(diǎn)通信地址，使所有從節(jié)點(diǎn)按新的ID進(jìn)行集中通信；所述的信道空間優(yōu)化共享，根據(jù)無線通信節(jié)點(diǎn)只能與通信距離內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的特點(diǎn)， 通過鄰居工作時(shí)間優(yōu)化節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)互不沖突節(jié)點(diǎn)間共享信道空間，可以同時(shí)進(jìn)行
ififn。所述的節(jié)點(diǎn)時(shí)間精確同步，首先通過利用Sink節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信，保證 Sink節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為精確實(shí)時(shí)時(shí)間；然后通過利用Sink節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)間同步幀，同步一級(jí)從節(jié)點(diǎn)時(shí)間；Sink通過一級(jí)從節(jié)點(diǎn)回復(fù)時(shí)間同步幀，計(jì)算Sink節(jié)點(diǎn)與一級(jí)從節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘晶振頻率偏差，從而得出從節(jié)點(diǎn)修正時(shí)鐘頻率，表達(dá)式如下f； = tSrtr"tS+StS"tS:Pt"tSrP X &公式 1
tnrp 十 tnsd 十[nsp式中 ——從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘修正頻率。tsrr——Sink接收一級(jí)從節(jié)點(diǎn)回復(fù)時(shí)Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)間。tsss——Sink發(fā)送時(shí)間同步幀時(shí)間。tssp——Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送過程的程序耗時(shí)。tsrp——Sink節(jié)點(diǎn)接收過程的程序耗時(shí)。t_——一級(jí)從節(jié)點(diǎn)接收過程程序耗時(shí)。tnsd——一級(jí)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)延。tnsp——一級(jí)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送過程程序耗時(shí)。fs——Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率。接著一級(jí)從節(jié)點(diǎn)用同樣的算法同步二級(jí)從節(jié)點(diǎn)，依次類推，直到所有的節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了精確的時(shí)間同步。所述的鏈路失效預(yù)策，首先利用AD轉(zhuǎn)換電路將節(jié)點(diǎn)電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)值Nadc ； 然后根據(jù)轉(zhuǎn)換值計(jì)算電源電壓，表達(dá)式為Vin =+ 公式 2
4096式中VK+、VK_——參考電壓正極、負(fù)極。Vin——電源電壓值。Nadc——電壓轉(zhuǎn)換寄存器值。通過電源電壓值與保證可靠通信的參考電壓值作比較當(dāng)電源電壓大于參考通信壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路良好信號(hào)，下一周期使用當(dāng)前鏈路；當(dāng)電源電壓小于或等于參考通信壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路危險(xiǎn)信號(hào)，下一周期啟用備用鏈路，若當(dāng)前鏈路已經(jīng)是備用鏈路，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路重構(gòu)請(qǐng)求。所述的干擾變頻策略，當(dāng)通信鏈路中某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行通信時(shí)，首先偵聽當(dāng)前無線信道狀態(tài)。當(dāng)信道為空時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)入通信模式；當(dāng)信道被占時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)改變無線收發(fā)頻率，轉(zhuǎn)用新的無線信道，同樣先偵聽此新無線信道的狀態(tài)；依次類推，直到找到空信道進(jìn)行通信。所述的節(jié)點(diǎn)時(shí)分優(yōu)化，首先節(jié)點(diǎn)在初入網(wǎng)時(shí)，按原始地址ID進(jìn)行同步通信；然后節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的子級(jí)從節(jié)點(diǎn)回復(fù)信號(hào)，確定從節(jié)點(diǎn)數(shù)量和從節(jié)點(diǎn)原始地址；接著節(jié)點(diǎn)按從節(jié)點(diǎn)原始地址給從節(jié)點(diǎn)重新分配通信地址；最后，在接下來的工作周期中，節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)間按新分配地址進(jìn)行通信工作。
所述的信道空間優(yōu)化共享，首先，節(jié)點(diǎn)在同步時(shí)期確定自己的層級(jí)以及鄰居節(jié)點(diǎn)的地址域；然后，在時(shí)分優(yōu)化階段根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間(包括發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間)， 確定出節(jié)點(diǎn)工作的無沖突時(shí)間域；最后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)在無沖突時(shí)間域與節(jié)點(diǎn)時(shí)分優(yōu)化，確定節(jié)點(diǎn)無沖突工作時(shí)間。本發(fā)明所要解決的第三個(gè)問題是系統(tǒng)應(yīng)用的能耗優(yōu)化，其目的是讓系統(tǒng)能耗減小，保證系統(tǒng)更長時(shí)間的工作。所述的節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化方案為軟硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括硬件選型、電源保護(hù)電路、電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)、休眠機(jī)制、減小占空比、調(diào)節(jié)發(fā)射功率。所述的硬件選型，為選型低功耗元器件；所述的休眠機(jī)制，為節(jié)點(diǎn)非工作時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)；所述的減小占空比，為簡化節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容、縮短工作時(shí)間、延長通信周期，預(yù)留更多的空閑時(shí)間；所述的調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，為節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送減小發(fā)射功率建議。所述的硬件選型，主要包括選擇低功耗傳感器、低功耗微處理器、低功耗無線收發(fā)芯片、盡量少的外圍電路、高增益的天線、低功耗的其它外圍芯片等。所述的低功耗傳感器， 選型為定制的ΒΡ-801Κ(1/2)，電源輸入為9VDC，輸出信號(hào)為0-5V。所述的低功耗微處理器， 選型為MSP430F149芯片，電源為3. 3VDC，正常工作電流為1. 5mA，本芯片具有休眠的功能， 休眠模式下電流只有l(wèi)uA，另外，本芯片集成有AD電路，減少了電路板外圍無器件的數(shù)量。 所述的無線收發(fā)芯片，選型為CCllOO芯片，電源為3. 3VDC，平均發(fā)送電流為15. 6mA，休眠模塊下900nA，靈敏度為-IlOdB,且具有發(fā)送功率可調(diào)、發(fā)送頻率可調(diào)。所述的盡量少的外圍電路，首先設(shè)計(jì)最小節(jié)點(diǎn)，包含微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、電源模塊、電源管理模塊、并為其它模塊預(yù)留接口 ；然后，將其它節(jié)點(diǎn)外圍電路設(shè)計(jì)為可拔插模塊，包括數(shù)碼顯示模塊， 按鍵模塊、串口通信模塊等。所述的高增益天線，直接選型5dB增益的室外天線。所述的低功耗其它外圍芯片，包括電源芯片、電容、電感、電阻、三極管、晶振等。所述的電源保護(hù)電路，為電源模塊并聯(lián)一較大電容，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在工作與休眠模式轉(zhuǎn)換時(shí)電容進(jìn)行充放電，減小突然大功率放電對(duì)電源的損害。所述的電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先，設(shè)計(jì)電路板布局中，1盡量考慮減小元器件之間的干擾，重要元器件分散布局，其余面積敷銅并接地；2外圍電路模塊單獨(dú)作板，與中心電路板進(jìn)行可拔插連接；然后，根據(jù)電路走線產(chǎn)生的阻抗、感抗、電容、確定元器件參數(shù)；接著， 敷銅接地中刪除銳角，或在銳角處打孔；最后，無線收發(fā)模塊，外加金屬罩，減小干擾。所述的休眠機(jī)制，首先，利用微處理器和無線收發(fā)模塊的休眠功能，使節(jié)點(diǎn)在非工作時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)；然后，利用電源管理模塊的開關(guān)功能，分別針對(duì)外圍模塊進(jìn)行開關(guān)控制，包括傳感器模塊、數(shù)碼顯示模塊等高功耗模塊，使這些模塊在非工作時(shí)間，關(guān)閉電源供 H1^ ο所述的減小占空比，包括簡化節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容、縮短節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間、延長節(jié)點(diǎn)通信周期。所述的簡化節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容，包括初始化簡化、同步回復(fù)與同步發(fā)送的合并、新ID算法簡化、路由算法簡化、發(fā)送數(shù)據(jù)包的簡化等。所述的初始化簡化，為在連模塊初始化，非在連模塊程序進(jìn)行跳轉(zhuǎn)；所述的同步回復(fù)與同步發(fā)送合并，為被同步后的回復(fù)發(fā)送與要同步下一級(jí)節(jié)點(diǎn)的同步發(fā)送過程合并為一個(gè)發(fā)送過程；所述的新ID算法簡化，根據(jù)從節(jié)點(diǎn)地址存儲(chǔ)位置，依次賦值新ID ；所述的路由算法簡化，為節(jié)點(diǎn)只記錄自己的上下級(jí)節(jié)點(diǎn)信息、自己上下通信鏈路關(guān)系；所述的發(fā)送數(shù)據(jù)包的簡化，為節(jié)點(diǎn)將占位數(shù)比較少的信息合并，數(shù)據(jù)包中相似信息的合并，比如出現(xiàn)連續(xù)的節(jié)點(diǎn)信息，將中間部分的節(jié)點(diǎn)地址省略，相同的采集時(shí)間，將后面的采集時(shí)間省略。所述的縮短節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，包括時(shí)分多址(TDMA)節(jié)點(diǎn)時(shí)分優(yōu)化減小節(jié)點(diǎn)工作等待時(shí)間，簡化節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容減少節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間。所述的延長節(jié)點(diǎn)通信周期，是指在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下，一方面延長通信鏈路的使用壽命，減少重新鏈路通信過程 ’另一方面?zhèn)鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)在無變化或變化數(shù)值在閥值以內(nèi)的，不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。所述的調(diào)節(jié)發(fā)射功率，首先，節(jié)點(diǎn)接收到下級(jí)節(jié)點(diǎn)的同步回復(fù)時(shí)，記錄下級(jí)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；然后根據(jù)通信鏈路質(zhì)量可靠閥值，向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率可調(diào)值；最后從節(jié)點(diǎn)接收到功率可調(diào)值后，調(diào)整從節(jié)點(diǎn)在本周期回復(fù)時(shí)的發(fā)射功率。本發(fā)明所要解決的第四個(gè)問題是提供上述無線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測位置優(yōu)化選擇方法，其目的是找到更有效監(jiān)測管網(wǎng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)布設(shè)位置。所述的節(jié)點(diǎn)位置優(yōu)化選擇技術(shù)方案為1根據(jù)實(shí)際監(jiān)測要求，將管網(wǎng)劃分為若干小區(qū)域；2在監(jiān)測小區(qū)域內(nèi)找到所有的可監(jiān)測位置，同一管段處設(shè)定為一個(gè)監(jiān)測位置；3在所有監(jiān)測位置布置節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；4改變區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，得出各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化；5根據(jù)各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化量算出各節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)，得出影響系數(shù)矩陣；6對(duì)影響系數(shù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算相似系數(shù)，得出模糊相似矩陣；7根據(jù)模糊相似矩陣，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)歐氏距離，得出各節(jié)點(diǎn)平均歐氏距離；8根據(jù)各節(jié)點(diǎn)平均歐氏距離，得出最小平均歐氏距離節(jié)點(diǎn)，即為本區(qū)域敏感點(diǎn)；9根據(jù)以上方法找到各區(qū)域敏感點(diǎn)，該敏感點(diǎn)即為本區(qū)域內(nèi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的最佳布設(shè)位置。本發(fā)明所提供的節(jié)點(diǎn)位置優(yōu)化選擇方法中涉及幾種工程計(jì)算，包括各節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)計(jì)算、影響系數(shù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算、歐氏距離計(jì)算、最小歐氏距離計(jì)算等。所述的最小歐氏距離即為尋找敏感節(jié)點(diǎn)指標(biāo)，所述的敏感節(jié)點(diǎn)即為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的最佳布設(shè)位置。所述的影響系數(shù)計(jì)算，是在某一基準(zhǔn)工況下進(jìn)行管網(wǎng)平差，得出該工況下各節(jié)點(diǎn)水壓Hi，再加大k的節(jié)點(diǎn)流量(其他節(jié)點(diǎn)流量不變)重新進(jìn)行管網(wǎng)平差，得出各節(jié)點(diǎn)水壓 Hi’。其影響系數(shù)如下Xik = ^"(沾=1,2,...,11)公式3式中Hi、Hk——基準(zhǔn)工況下i，k節(jié)點(diǎn)水壓。Hi，、Hk，——k節(jié)點(diǎn)流量改變后i、k節(jié)點(diǎn)水壓。所述的影響系數(shù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，首先將影響系數(shù)矩陣[X]中各列元素的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)k列元素的表達(dá)式如下Xlk = ii^ (i二 1,2,3,…,η)公式 4式中——影響系數(shù)矩陣[X]中第k列元素的平均值，巧=JxiliXikSk——影響系數(shù)矩陣[X]中列元素的標(biāo)準(zhǔn)差，、=J^Eiii^ik-^f
最后得到矩陣[X’]nXn ；然后將[X’]nXn中各列元素的極值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)k列元素表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.一種市政管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)，用于對(duì)被測管道進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，所述的無線監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件設(shè)備設(shè)計(jì)、通信協(xié)議優(yōu)化、節(jié)能應(yīng)用優(yōu)化、監(jiān)測位置優(yōu)化；所述的硬件設(shè)計(jì)包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)；所述的通信協(xié)議優(yōu)化包括節(jié)點(diǎn)時(shí)間精確同步、通信鏈路失效預(yù)策、干擾變頻、時(shí)分優(yōu)化、信道空間優(yōu)化共享等；所述的節(jié)能應(yīng)用優(yōu)化包括低功耗硬件選型、電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、休眠機(jī)制、減小占空比、調(diào)節(jié)發(fā)射功率等。
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中設(shè)有傳感器1、傳感器信號(hào)線2、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中心電路3、外圍模塊接口和天線4 ；所述的外圍模塊接口，可接顯示模塊、鍵盤模塊、Sink通信模塊等；所述的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)可以互換使用；所述的互換使用方法為Sink節(jié)點(diǎn)外圍接口接入與上位機(jī)通信模塊，Sink節(jié)點(diǎn)無需安裝傳感器模塊，Sink節(jié)點(diǎn)無需安裝在管道處；節(jié)點(diǎn)具有兩種工作模式，其實(shí)現(xiàn)方法為外圍模塊未接入顯示模塊，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)入無線遠(yuǎn)程監(jiān)測模式；外圍模塊接口接入顯示模塊時(shí)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測模式；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)也可在外圍顯示模塊接入時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩種模式同時(shí)工作。
3.如權(quán)利要求1所述的無線監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議優(yōu)化方法，其特征在于以Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)間為基準(zhǔn)，同步各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)時(shí)間；以Sink節(jié)點(diǎn)晶振頻率為基準(zhǔn)，修正各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率； 通過信號(hào)采集電路采集電源電壓，預(yù)策鏈路可靠性；根據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的所有從節(jié)點(diǎn)地址、數(shù)量，重新分配從節(jié)點(diǎn)通信ID，并按新ID進(jìn)行時(shí)分多址通信；根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的通信工作時(shí)間域，確定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的無干擾時(shí)間域，最后在無干擾時(shí)間域內(nèi)，進(jìn)行通信時(shí)間優(yōu)化。
4.如權(quán)利要求1所述的無線監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用優(yōu)化方法，其特征在于微處理器型號(hào)為MSP430F149，無線收發(fā)模塊型號(hào)為CCl 100，電源模塊為LMl 117-3. 3和LMl 117-5 ；電源模塊并聯(lián)一較大電容；將核心電路與外圍電路分離，做成不同的電路板模塊，它們之間通過拔插件聯(lián)接；節(jié)點(diǎn)核心電路非工作時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，并通過電源管理模塊關(guān)閉外圍電路供電；節(jié)點(diǎn)偵測從節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度，并向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率可調(diào)值；僅初始化在連模塊，節(jié)點(diǎn)僅記錄上下級(jí)間鏈路關(guān)系，合并簡化數(shù)據(jù)包中相似信息，減小時(shí)分多址通信機(jī)制下信道為空時(shí)節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間，取消穩(wěn)定監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送。
5.如權(quán)利要求1所述的無線監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方法，其特征在于根據(jù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化，計(jì)算區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)；再對(duì)影響系數(shù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算節(jié)點(diǎn)相似系數(shù)；然后根據(jù)模糊相似矩陣，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)歐氏距離；最后根據(jù)各節(jié)點(diǎn)平均歐氏距離，得出最小歐氏距離點(diǎn)，即為敏感節(jié)點(diǎn)位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于市政管網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的無線監(jiān)測系統(tǒng)。它是由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)和相關(guān)的通信協(xié)議、應(yīng)用軟件等組成。本發(fā)明還公開了針對(duì)無線自組織通信協(xié)議、節(jié)能應(yīng)用、監(jiān)測位置選擇等的優(yōu)化方法。所述的無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的優(yōu)化方法，包括精確同步、失效預(yù)策、干擾變頻、時(shí)分優(yōu)化、信道空間優(yōu)化共享等；所述的節(jié)能應(yīng)用優(yōu)化方法，包括低功耗硬件選型、電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)、電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)、休眠優(yōu)化機(jī)制、占空比優(yōu)化、發(fā)射功率優(yōu)化等；所述的點(diǎn)位置優(yōu)化選擇方法，具體是在一定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)尋找最敏感點(diǎn)的方法。本發(fā)明利用以上各種優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了市政管網(wǎng)監(jiān)測的低成本、低功耗、安全、可靠、智能、高效、自動(dòng)化。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102548029SQ20101057553
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者張利強(qiáng), 楊前進(jìn), 田寶慶, 祁卓婭, 韓新民 申請(qǐng)人:中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心